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exploratheque du premier stage au premier emploi |
Lorsque l’eau s’écoule dans un tuyau, ce sont les interactions entre ses molécules qui la freinent. A l’inverse, lorsque des électrons s’écoulent dans un fil conducteur, c’est avant tout le fil lui-même qui les freine. Une équipe de chercheurs britanniques et israéliens, en annulant la résistance du fil, a réussi à faire « s’écouler » des électrons comme de l’eau.
Deux écoulements de natures différentes
Pour une différence de pression donnée, le débit de l’eau diminue avec le diamètre du tuyau dans lequel elle s’écoule. De même, pour une différence de potentiel donnée ou tension (voltage), l’intensité du courant électrique - qui correspond à un débit d’électron mesuré en ampère - diminue avec le diamètre du fil. Cependant, alors que le débit hydrodynamique (ie le débit d’eau) varie comme la puissance quatrième du diamètre, la résistance électrique varie comme son carré. Autrement dit, quand on augmentera la taille du tuyau, le débit augmentera plus vite pour l’eau que pour l’électricité.
La raison de cette différence est que le profil des vitesses d’écoulement est n’est pas le même. L’écoulement en hydrodynamique est parabolique : la vitesse d’écoulement est plus faible le long des bords du tuyau, maximale au centre le long de l’axe. A l’inverse, en électricité, tous les électrons dérivent avec la même vitesse moyenne, qu’ils soient sur les bords ou au centre.
Ce comportement différent des courants (eau et électrons) résulte du fait que la résistance que rencontrent les électrons lors de leur mouvement provient essentiellement du conducteur lui-même. En effet, le réseau cristallin n’est jamais parfait, si bien que de très nombreux obstacles - défauts et impuretés - gênent le mouvement libre dit « balistique » des électrons. Aussi, dans un conducteur sans défaut, la résistance serait extrêmement faible. Elle ne serait cependant pas nulle, car au-dessus du zéro absolu (ou zéro Kelvin, - 273,15°C) les inévitables vibrations réseau perturbent également le mouvement des électrons.
A l’opposé, la résistance hydrodynamique provient essentiellement de la viscosité, c’est-à-dire des frottements internes de l’eau. La très fine couche d’eau immobile, collée au bord intérieur du tuyau, appelée « couche limite », freine la couche plus interne, laquelle en fait de même avec la couche voisine et ainsi de suite. Cela conduit au profil parabolique des vitesses, dit « de Poiseuille ».
Une expérience d’écoulement à très basse température
En temps normal, c’est-à-dire dans un réseau ordinaire à température ambiante, l’interaction des électrons entre eux – qui correspond à la viscosité - est totalement négligeable devant la résistance du fil électrique. En revanche, dans un réseau parfait à basse température, elle ne l’est plus, si bien que la théorie prévoit un écoulement hydrodynamique des électrons.
