Le concept de potentiel électrique est une base importante pour la théorie de l'électrostatique et de l'électrodynamique. Comprendre son essence est une condition préalable à l'étude approfondie de ces branches de la physique.
Contenu
Qu'est-ce qu'un potentiel électrique ?
Soit une charge unitaire q placée dans le champ créé par une charge stationnaire Q, qui est influencée par force de Coulomb F=k*Qq/r.
Ci-après k=((1/4)*π* ε* ε), où ε0 — est la constante électrique (8,85*10-12 F/m), et ε constante diélectrique du milieu.
Présenté par charge peut se déplacer sous l'action de cette force, et la force effectuera un certain travail en le faisant. Cela signifie qu'un système de deux charges possède une énergie potentielle qui dépend de la magnitude des deux charges et de la distance qui les sépare, et que la magnitude de cette énergie potentielle est indépendante de la magnitude de la charge q. C'est ici qu'intervient la définition du potentiel électrique - il est égal au rapport entre l'énergie potentielle du champ et la magnitude de la charge :
φ = W/q,
où W est l'énergie potentielle du champ créé par le système de charges, et le potentiel est l'énergie caractéristique du champ. Afin de déplacer une charge q dans un champ électrique sur une certaine distance, il est nécessaire de fournir un certain travail pour surmonter la force de Coulomb. Le potentiel d'un point est égal au travail nécessaire pour déplacer une charge unitaire de ce point vers l'infini. Il convient de noter que :
- ce travail sera égal à la perte d'énergie potentielle de la charge (A=W2-W1);
- le travail est indépendant de la trajectoire de la charge.
Dans le système SI, l'unité de potentiel est un Volt (dans la littérature russe, il est désigné par V, dans la littérature étrangère - V). 1 V=1J/1Kl, c'est-à-dire qu'on peut parler du potentiel d'un point de 1 Volt, s'il faut un travail de 1 Joule pour déplacer une charge de 1Kl à l'infini. Le nom est choisi d'après le physicien italien Alessandro Volta, qui a apporté une contribution importante au développement de l'ingénierie électrique.
Pour visualiser ce qu'est le potentiel, on peut le comparer à la température de deux corps ou à la température mesurée en différents points de l'espace. La température est une mesure du réchauffement des objets et le potentiel est une mesure de la charge électrique. On dit qu'un corps est plus chauffé qu'un autre ; on peut aussi dire qu'un corps est plus chargé et l'autre moins. Ces corps ont des potentiels différents.
La valeur du potentiel dépend du choix du système de coordonnées, de sorte qu'un certain niveau doit être considéré comme nul. Lors de la mesure de la température, la température de la glace fondante, par exemple, peut être prise comme limite de référence. Pour un potentiel, le potentiel d'un point infiniment éloigné est généralement considéré comme nul, mais pour certaines applications, le potentiel de la terre ou le potentiel d'une des bornes d'un condensateur, par exemple, peut être considéré comme nul.
Propriétés d'un potentiel
Certaines propriétés importantes d'un potentiel sont
- si le champ est généré par plusieurs charges, le potentiel en un point particulier sera égal à la somme algébrique (en tenant compte du signe de la charge) des potentiels générés par chacune des charges φ=φ.1+φ2+φ3+φ4+φ5+...+φn;
- si les distances des charges sont telles que les charges elles-mêmes peuvent être considérées comme ponctuelles, le potentiel total est calculé par la formule φ=k*(q1/r1+q2/r2+q3/r3+...+qn/rn), où r est la distance entre la charge correspondante et le point en question.
Si le champ est formé par un dipôle électrique (deux charges connexes de signe opposé), le potentiel en tout point situé à une distance r du dipôle est φ=k*p*cosά/r.2où :
- p est le bras électrique du dipôle, égal à q*l, où l est la distance entre les charges ;
- r est la distance au dipôle ;
- ά est l'angle entre le bras du dipôle et le rayon vecteur r.
Si le point se trouve sur l'axe du dipôle, cosά=1 et φ=k*p/r2.
Différence de potentiel
Si deux points ont un certain potentiel, et s'ils ne sont pas égaux, on dit qu'il existe une différence de potentiel entre ces deux points. Une différence de potentiel se produit entre les points
- dont le potentiel est déterminé par des charges de signes différents ;
- un point avec un potentiel de n'importe quel signe d'une charge et un point avec un potentiel nul
- points ayant un potentiel de signe égal mais différent en modulo.
C'est-à-dire que la différence de potentiel ne dépend pas du choix du système de coordonnées. On peut faire une analogie avec des bassins d'eau situés à différentes hauteurs par rapport au niveau du sol (par exemple, le niveau de la mer).
L'eau de chaque piscine a une certaine énergie potentielle, mais si vous reliez deux piscines quelconques par un tube, il y aura un flux d'eau dans chaque piscine, dont le débit est déterminé non seulement par la taille du tube, mais aussi par la différence des énergies potentielles dans le champ gravitationnel de la Terre (c'est-à-dire la différence d'altitude). La valeur absolue des énergies potentielles n'a pas d'importance dans ce cas.
De la même manière, si vous connectez deux points de potentiel différent avec un conducteur, celui-ci va transporter un courant électriquedéterminée non seulement par la résistance du conducteur mais aussi par la différence de potentiel (mais pas par sa valeur absolue). En poursuivant l'analogie avec l'eau, nous pouvons dire que l'eau du bassin supérieur va bientôt s'épuiser, et à moins qu'une force ne soit trouvée pour faire remonter l'eau (comme une pompe), le flux s'arrêtera très rapidement.
Il en va de même dans un circuit électrique : pour maintenir la différence de potentiel à un certain niveau, il faut une force qui transporte les charges (ou plutôt les porteurs de charge) vers le point présentant le potentiel le plus élevé. Cette force s'appelle la force électromotrice et est abrégée en CEM. Les CEM peuvent être de différentes natures - électrochimiques, électromagnétiques, etc.
En pratique, c'est principalement la différence de potentiel entre le point de départ et le point d'arrivée de la trajectoire des porteurs de charge qui importe. Dans ce cas, cette différence est appelée tension et, en SI, elle est également mesurée en volts. On peut parler d'une tension de 1 Volt si le champ fournit le travail de 1 Joule en déplaçant une charge de 1 Coulomb d'un point à un autre, c'est-à-dire 1V=1J/1Kl, et J/Kl peut également être l'unité de mesure de la différence de potentiel.
Surfaces équipotentielles
Si le potentiel de plusieurs points est le même et que ces points forment une surface, cette surface est dite équipotentielle. Une sphère circonscrite autour d'une charge électrique, par exemple, possède cette propriété, puisque le champ électrique diminue également dans toutes les directions avec la distance.
Tous les points de cette surface ont la même énergie potentielle, de sorte qu'aucun travail ne sera dépensé lors du déplacement d'une charge sur une telle sphère. Les surfaces équipotentielles des systèmes de plusieurs charges ont une forme plus complexe, mais elles ont une propriété intéressante : elles ne se croisent jamais. Les lignes de force du champ électrique sont toujours perpendiculaires aux surfaces avec le même potentiel en chacun de leurs points. Si la surface équipotentielle est disséquée par un plan, on obtient une ligne de potentiels égaux. Elle a les mêmes propriétés qu'une surface équipotentielle. En pratique, les points de la surface d'un conducteur placé dans un champ électrostatique, par exemple, ont un potentiel égal.
Une fois que vous avez compris le concept de potentiel et de différence de potentiel, vous pouvez commencer à en apprendre davantage sur les phénomènes électriques. Mais pas avant, car sans une compréhension des principes et concepts de base, il ne sera pas possible d'approfondir vos connaissances.
Articles connexes :
