Le concept de potentiel électrique est l'un des fondements importants de la théorie de l'électrostatique et de l'électrodynamique. Comprendre son essence est une condition nécessaire pour une étude plus approfondie de ces branches de la physique.
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Qu'est-ce que le potentiel électrique
Soit une charge unitaire q placée dans le champ créé par une charge fixe Q, qui est affectée par Force coulombienne F=k*Qq/r.
Ici et ci-dessous k=((1/4)*π* ε* ε), où ε0 — constante électrique (8.85*10-12 F/m), tandis que ε est constante diélectrique moyenne.
Contribué charge sous l'action de cette force, il peut se déplacer, et la force fera un certain travail. Cela signifie qu'un système de deux charges a une énergie potentielle qui dépend de l'amplitude des deux charges et de la distance qui les sépare, et l'amplitude de cette énergie potentielle ne dépend pas de l'amplitude de la charge q. Ici, la définition du potentiel électrique est introduite - il est égal au rapport de l'énergie potentielle du champ à l'amplitude 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. Pour déplacer une charge q dans un champ électrique sur une certaine distance, il faut déployer un certain travail pour vaincre les forces de Coulomb. Le potentiel d'un point est égal au travail qui doit être dépensé pour déplacer une charge unitaire de ce point à l'infini. Ce faisant, il convient de noter que :
- ce travail sera égal à la diminution de l'énergie potentielle de la charge (A=W2-W1);
- le travail ne dépend pas 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 la lettre V, dans la littérature étrangère - V). 1 V \u003d 1J / 1 C, c'est-à-dire que l'on peut parler du potentiel d'un point de 1 volt, s'il faut 1 Joule pour déplacer une charge de 1 C à l'infini. Le nom a été choisi en l'honneur du physicien italien Alessandro Volta, qui a apporté une contribution significative au développement de l'électrotechnique.
Pour visualiser ce qu'est un 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 de l'échauffement 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, donc un certain niveau est requis, qui doit être pris égal à zéro. Lors de la mesure de la température, par exemple, la température de la glace fondante peut être prise comme référence.Pour le potentiel, le potentiel d'un point infiniment distant est généralement considéré comme le niveau zéro, mais pour résoudre certains problèmes, par exemple, le potentiel de masse ou le potentiel de l'une des plaques du condensateur peut être considéré comme nul.
Propriétés potentielles
Parmi les propriétés importantes du potentiel, il convient de noter les suivantes :
- si le champ est créé par plusieurs charges, alors le potentiel en un point donné sera égal à la somme algébrique (en tenant compte du signe de la charge) des potentiels créés par chacune des charges φ=φ1+φ2+φ3+φ4+φ5+…+φn;
- si les distances aux charges sont telles que les charges elles-mêmes peuvent être considérées comme des charges ponctuelles, alors le potentiel total est calculé par la formule φ=k*(q1/r1+q2/r2+q3/r3+…+qn/rn), où r est la distance de la charge correspondante puis du point considéré.
Si le champ est formé par un dipôle électrique (deux charges connectées de signe opposé), alors le potentiel en tout point situé à une distance r du dipôle sera égal à φ=k*p*cosά/r2, où:
- 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 dipolaire et le rayon vecteur r.
Si le point est sur l'axe du dipôle, alors cosά=1 et φ=k*p/r2.
Différence de potentiel
Si deux points ont un certain potentiel, et s'ils ne sont pas égaux, alors ils disent qu'il y a une différence de potentiel entre les deux points. La différence de potentiel se produit entre les points :
- dont le potentiel est déterminé par des charges de signes différents ;
- un point avec un potentiel d'une charge de signe quelconque et un point avec un potentiel nul ;
- points qui ont le potentiel du même signe, mais diffèrent en valeur absolue.
Autrement dit, la différence de potentiel ne dépend pas du choix du système de coordonnées.Une analogie peut être établie avec des flaques d'eau situées à différentes hauteurs par rapport au zéro (par exemple, le niveau de la mer).
L'eau de chaque piscine a une certaine énergie potentielle, mais si vous connectez deux piscines avec un tube, il y aura dans chacune d'elles un débit d'eau 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 de hauteur). La valeur absolue des énergies potentielles n'a pas d'importance dans ce cas.
De la même manière, si vous reliez deux points de potentiel différent avec un conducteur, il s'écoulera électricité, déterminé non seulement par la résistance du conducteur, mais aussi par la différence de potentiel (mais pas par leur valeur absolue). Poursuivant l'analogie avec l'eau, nous pouvons dire que l'eau de la piscine supérieure s'épuisera bientôt, et s'il n'y a pas de force qui fera remonter l'eau (par exemple, une pompe), alors le débit s'arrêtera très rapidement.
Il en va de même dans un circuit électrique - afin de maintenir une différence de potentiel à un certain niveau, il faut une force qui transfère les charges (plus précisément, les porteurs de charge) vers un point au potentiel le plus élevé. Cette force est appelée force électromotrice et est abrégée en EMF. Les CEM peuvent être de nature différente - électrochimique, électromagnétique, etc.
En pratique, c'est surtout la différence de potentiel entre les points initial et final 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 fonctionne de 1 Joule lors du déplacement d'une charge de 1 Coulomb d'un point à un autre, c'est-à-dire 1V \u003d 1J / 1C, et J / C peut également être une unité de différence de potentiel.
Surfaces équipotentielles
Si le potentiel de plusieurs points est le même et que ces points forment une surface, alors une telle surface est dite équipotentielle. Une telle propriété a, par exemple, une sphère circonscrite autour d'une charge électrique, car le champ électrique diminue avec la distance de manière égale dans toutes les directions.
Tous les points de cette surface ont la même énergie potentielle, donc lors du déplacement d'une charge sur une telle sphère, aucun travail ne sera dépensé. 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 à des surfaces de même potentiel en chacun de leurs points. Si la surface équipotentielle est coupée par un plan, on obtiendra une ligne de potentiels égaux. Elle a les mêmes propriétés qu'une surface équipotentielle. En pratique, par exemple, des points à la surface d'un conducteur placé dans un champ électrostatique ont un potentiel égal.
Après avoir traité le concept de potentiel et de différence de potentiel, vous pouvez poursuivre l'étude des phénomènes électriques. Mais pas plus tôt, car sans comprendre les principes et concepts de base, il ne sera pas possible d'approfondir les connaissances.
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