Définition du potentiel électrique
Le potentiel électrique est défini comme le énergie potentielle électrique par unité de charge. Supposons que, lorsqu'elle se trouve au point a, la charge q possède une énergie potentielle électrique égale à EP.a, alors le potentiel électrique au point a est formulé comme suit :
V = potentiel électrique, EP = énergie potentielle électrique, q = charge électrique
V est non seulement au point a, mais aussi en tous les points de la surface. champ électrique. Le point a est utilisé comme exemple. Comme nous l'expliquerons plus loin, la tension V ne dépend pas de la charge q.
L'énergie potentielle (EP) et la charge électrique sont des grandeurs scalaires, de sorte que la tension (V) comprend également des grandeurs scalaires. L'unité du Système international d'unités (SI) pour l'énergie potentielle est le joule (J), et l'unité du SI pour la charge électrique est le coulomb (C). Ainsi, l'unité du SI pour la tension est le joule par coulomb (J/C). Le joule par coulomb est également appelé volt, en référence au nom du scientifique italien Alessandro Volta (1745-1827), inventeur de la pile électrique.
Différence de potentiel électrique
La valeur V en un point tel que V au point a, c'est-à-dire VaLa valeur de V ne peut être connue car le facteur le plus important est la variation du potentiel électrique. Cette variation peut être déterminée par le calcul ou la mesure. La tension V varie lorsque la charge q se déplace d'un point à un autre. Supposons que la charge q se déplace du point a au point b ; la variation de V est alors :
Vab est une différence de potentiel électrique entre deux points d'un champ électrique, par exemple les points a et b. La différence de potentiel électrique entre les points a et b (Vab)abest identique au travail effectué par la force électrique sur la charge électrique lors de son déplacement du point a au point b, par unité de charge (Wab /q). Il convient de noter que le travail est effectué par la force électrique de la charge q lors de son déplacement du point a au point b (Wab) est égal à la variation de l'énergie potentielle électrique de la charge q (ΔEP). Par conséquent, dans l'équation ci-dessus, ΔEP peut être remplacé par Wab.
Lorsqu'un objet se trouve à une certaine hauteur au-dessus du sol, il possède une énergie potentielle gravitationnelle, le sol servant de référence. Dans ce cas, la hauteur du sol et l'énergie potentielle gravitationnelle à sa surface sont considérées comme nulles. De même, lorsqu'on définit un potentiel électrique pour un point donné, il est nécessaire de choisir un autre point de référence, en ne considérant que la différence de potentiel électrique calculable. Généralement, on utilise le sol ou des conducteurs électriques reliés au sol comme points de référence, le potentiel électrique du conducteur ou du sol étant alors considéré comme nul. Ainsi, si un point possède un potentiel électrique de 12 volts, la différence de potentiel électrique entre ce point et le sol est de 12 volts. Pour une batterie de 6 volts, la différence de potentiel électrique entre la borne positive et la borne négative est de 6 volts. L'unité de la différence de potentiel électrique étant le volt, la différence de potentiel électrique entre deux points est généralement appelée tension.
L'équation de différence de potentiel électrique ci-dessus peut être réécrite comme suit :
Si la charge q traverse la différence de potentiel électrique VabL'énergie potentielle varie alors de ΔEP. Par exemple, si une charge de 2 coulombs traverse une différence de potentiel électrique de 12 volts, son énergie potentielle électrique varie de (2 C)(12 V) = 24 joules. De même, si une charge de 4 coulombs traverse une différence de potentiel électrique de 24 volts, son énergie potentielle électrique varie de (4 C)(24 V) = 96 joules.
Ainsi, la variation d'énergie potentielle électrique (ΔEP) est proportionnelle à la charge (q) et à la tension (V).abPlus la charge électrique et la tension sont élevées, plus la variation d'énergie potentielle électrique est importante. L'énergie potentielle étant liée à la capacité d'effectuer un travail, si les variations d'énergie potentielle électrique sont significatives, la capacité d'effectuer un travail l'est également.
L'équation de la différence de potentiel V présentée ci-dessus reste générale. Pour obtenir une équation V plus détaillée, il convient de se référer à la différence de potentiel électrique dans un champ électrique homogène et à la différence de potentiel électrique produite par une charge unique.
Le potentiel électrique dans le champ électrique homogène
La différence de potentiel V entre deux points dans un champ électrique homogène, par exemple le point a et le point b, peut être calculée à l'aide de l'équation ci-dessous :
Vab = la différence de V entre deux points, E = champ électrique et d = distance entre deux points.
V produit par la charge unique
La tension V en un point, due à une charge unique qui génère le champ électrique, peut être calculée à l'aide de l'équation :
Vab = la différence de V entre deux points, k = constante de Coulomb, Q = charge unique qui produit le champ électrique, r = distance entre la charge Q et le point où le V est calculé.
La relation entre le champ électrique (E) et le potentiel électrique (V)
Le champ électrique E est une grandeur vectorielle, tandis que la tension V est une grandeur scalaire. Les grandeurs vectorielles étant définies par une direction, leur calcul est plus complexe que celui des grandeurs scalaires. Pour simplifier le calcul du champ électrique, on utilise une équation qui établit la relation entre le champ électrique et la tension V.
L'équation de différence de potentiel décrite précédemment est réécrite comme suit :
Mathématiquement, le travail est le produit de la force et du déplacement, la force étant le produit de la charge et du champ électrique. La relation entre le travail, la force et le déplacement est exprimée par l'équation suivante :
Si l'on combine les deux équations ci-dessus, on obtient la nouvelle équation suivante :
E = champ électrique, Vab = la différence de potentiel électrique entre deux points tels que les points a et b, d = distance entre les deux points.
L'unité de différence de potentiel est le Volt, et l'unité de distance est le mètre, de sorte que le champ électrique peut être exprimé en unités de Volts par mètre (V/m).
Cette équation permet de déterminer le champ électrique (homogène), c'est-à-dire la différence de potentiel entre deux points, en fonction de la distance qui les sépare. D'après cette équation, le champ électrique est proportionnel à la tension (V) et inversement proportionnel à la distance. Autrement dit, plus la tension est élevée, plus le champ électrique est intense, et inversement, plus la distance est grande, plus le champ électrique est faible.
