Le modèle de l’électron libre

Il y a de fortes chances que vous ne compreniez pas complètement comment les charges se déplacent dans les conducteurs ou comment l’énergie circule dans votre circuit. Les idées préconçues que vous avez depuis le lycée et l’université pourraient influencer la manière dont vous concevez vos circuits imprimés.

Ne vous inquiétez pas ; vous êtes en bonne compagnie avec la plupart des ingénieurs en électronique – ces idées préconçues, qui mènent à de mauvaises pratiques de conception, sont largement répandues dans l’industrie.

Lorsque vous imaginez comment les charges se déplacent dans un conducteur, il y a de grandes chances que vous deviez cela à un seul homme. Il y a plus de 120 ans, Paul Drude a présenté un modèle du mouvement des charges dans un conducteur qui est encore largement utilisé aujourd’hui. Ce modèle s’est perpétué dans les manuels scolaires, formant des générations entières d’étudiants en physique au fil des décennies.

L'idée de Drude est également appelée modèle des électrons libres (plus tard modèle Drude-Lorentz et Drude-Sommerfield). Pratiquement tous les manuels de physique des lycées et des universités enseignent la conduction selon ce modèle primitif.

Dans le modèle de conduction de Drude, les charges se déplacent à travers un conducteur en présence d'un champ électrique, et les électrons se dispersent lorsqu'ils se déplacent d'un atome à l'autre, un peu comme les billes d'un flipper ou d'une machine Plinko. La diffusion donne naissance à une résistance et explique le chauffage par effet Joule, et ce sont les premières équations présentées et enseignées lorsque le manuel passe au sujet de l'électricité actuelle.

Malheureusement, le modèle conduit les ingénieurs à se concentrer uniquement sur le mouvement de charge à l'intérieur d'un conducteur et non sur la surface du conducteur ou sur l'espace autour d'un conducteur.

Une recherche rapide des manuels de physique actuels sur les étagères du magasin de manuels d'occasion local n'a produit qu'un seul manuel de premier cycle qui enseigne le transport électronique différemment : « Matière et interaction » de Chabay et Sherwood.

Drude s'est trompé !

Drude a créé son modèle en 1900 ^[1] , seulement 3 ans après que JJ Thomson ait découvert l'électron ^[2] . Pour référence, Thompson a proposé son modèle « Plum Pudding » d'un atome en 1904 avant qu'Ernest Rutherford ne découvre que les atomes avaient un noyau en 1911 ^[3] . James Chadwick n'a découvert les neutrons qu'en 1932 ^[4] . Ainsi, bien que le modèle soit conforme aux modèles de physique acceptés et puisse expliquer des idées de base telles que l'incandescence, la loi d'Ohm et le chauffage par effet Joule, le modèle de Drude est incapable d'expliquer la physique des lignes de transmission. Le modèle de Drude est celui que vous avez probablement appris à l'école et qui influence vos pensées quotidiennes sur ce qui se passe dans un conducteur, mais il existe des moyens de voir les conducteurs un peu différemment.

Notes de bas de page :

^[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Drude_model

^[2] https://aps.org/publications/apsnews/200010/history.cfm

^[3] https://aps.org/publications/apsnews/200605/history.cfm

^[4] https://www.aps.org/publications/apsnews/200705/physicshistory.cfm