Potentiel électrique

Le potentiel électrique définit l’énergie d’une particule chargée. Il donne naissance au champ électrique et à la force électrique, et est à la base de nombreux phénomènes électriques.

Le terme potentiel électrique est désigné par le symbole grec ?. Il s’agit d’une quantité scalaire de signe et de grandeur. Toute charge crée un potentiel électrique dans l’espace qui l’entoure. Il est différent du terme tension, bien que ces deux grandeurs physiques soient mesurées en volts.

Ici, nous allons d’abord expliquer ce que sont ces termes, discuter des paramètres qui affectent ?, puis démontrer la mesure du potentiel électrique autour d’une sphère chargée.

Comme nous l’avons vu dans la vidéo Énergie et travail, l’énergie potentielle de tout objet de masse m sous l’influence de l’accélération gravitationnelle g est égale à la quantité de travail nécessaire pour déplacer cet objet d’une hauteur h par rapport au sol. Mathématiquement, il est donné par la formule mgh et a l’unité de Joules.

De même, dans le champ électrique E autour d’une surface chargée positivement, l’énergie potentielle électrique en un point spécifique par rapport à un point de référence est la quantité de travail nécessaire pour déplacer une charge d’essai positive +q de la référence à ce point spécifique. La distance entre les deux points est indiquée par la lettre d. Analogue à l’énergie potentielle gravitationnelle, l’énergie potentielle électrique est le produit de q, E et d, et a les unités de joules.

Alors, le potentiel électrique ou ? À ce point du champ est l’énergie potentielle électrique divisée par « Q », la charge sur la charge d’essai. Par conséquent, l’unité pour ? est le joule par coulomb, c’est-à-dire les volts.

Maintenant, si nous considérons un autre point dans le champ, il aurait un potentiel électrique différent ; disons ?0. La différence de potentiel ou ?diff entre les deux points est connue sous le nom de tension. C’est le concept derrière une batterie, où la borne positive a un potentiel électrique plus élevé par rapport à la borne négative et la différence entre les deux potentiels est la tension de la batterie.

Pour en revenir au potentiel électrique, rappelons qu’il s’agit d’une quantité scalaire de signe et de magnitude. Le signe dépend de la charge à la source. Autour d’une charge positive isolée, le potentiel est positif, tandis qu’autour d’une charge négative isolée, il est négatif.

L’amplitude du potentiel dépend du Q de la charge source produisant le champ électrique, de la distance d de la charge source et de la configuration.

Par exemple, le potentiel électrique en un point donné autour d’une charge ponctuelle ou d’une sphère positive uniformément chargée avec la charge Q est donné par cette formule. Il est évident que ? est inversement proportionnelle à la distance de la sphère. Et le graphique de l’intensité du potentiel électrique en fonction de la distance tend vers zéro à l’infini.

Cette dépendance à d indique également que tous les emplacements situés dans le même rayon de la sphère chargée auraient le même potentiel. Cela signifie qu’il existe des surfaces équipotentielles de forme sphérique autour d’une sphère chargée.

Maintenant que nous avons expliqué les concepts derrière le potentiel électrique et la différence de potentiel, voyons comment valider expérimentalement ces principes à l’aide d’une sphère chargée.

Cette expérience utilise un générateur Van der Graff pour charger une sphère métallique. Connectez la borne négative d’un voltmètre à la borne de référence ou à la terre du générateur. À l’aide d’un câble, connectez la borne positive du voltmètre à l’embout d’une sonde.

Tournez la manivelle du générateur au moins 10 fois pour charger la sphère, puis allumez le voltmètre et placez la pointe de la sonde de tension à environ un demi-mètre du centre de la sphère. Enregistrez la lecture de la tension à cet endroit.

Déplacez la pointe de la sonde autour de la sphère tout en maintenant un rayon constant d’un demi-mètre par rapport au centre. Pendant ce temps, observez les mesures du voltmètre et notez comment la lecture reste constante, indiquant une surface équipotentielle sphérique.

Répétez cette procédure avec la pointe de la sonde à une distance d’un mètre, puis d’un mètre et demi du centre de la sphère.

Le graphique du potentiel mesuré en fonction de la distance affiche une courbe qui décroît inversement avec la distance, ce qui valide la relation théorique entre le potentiel électrique et la distance, pour une sphère chargée.

Le potentiel électrique est l’une des quantités électriques les plus couramment utilisées et est fondamental pour le stockage et la libération de l’énergie électrique.

Un microscope électronique utilise une différence de potentiel électrique élevée pour accélérer les électrons dans un faisceau qui bombarde l’échantillon examiné. Ces électrons agissent comme une lumière dans un microscope optique, mais avec des longueurs d’onde beaucoup plus petites et une résolution spatiale beaucoup plus grande, ce qui permet de visualiser des structures de taille submicronique.

Le potentiel électrique est un composant important de l’électrophorèse sur gel - une technique de biologie moléculaire couramment utilisée pour séparer les grosses molécules, telles que l’ADN, en fonction de leur taille et de leur charge. Dans cette technique, l’échantillon est placé sur une plaque de gel d’agarose et une différence de potentiel électrique est appliquée entre les extrémités. Dans le champ électrique résultant, les différentes molécules et fragments moléculaires se déplacent à des vitesses qui dépendent de la charge et du poids moléculaire.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE au potentiel électrique. Vous devriez maintenant savoir comment mesurer le potentiel électrique et comprendre comment il affecte les charges et se rapporte à l’énergie potentielle électrique. Merci d’avoir regardé !