Overview
Source : Yong P. Chen, PhD, département de physique & astronomie, Faculté des sciences, Université de Purdue, West Lafayette, Indiana
Potentiel électrique, également connu sous le nom de « tension », mesure l’énergie potentielle électrique par charge d’unité. Champ électrique est une grandeur scalaire et est fondamental pour de nombreux effets électriques. Comme l’énergie potentielle, ce qui est physiquement significatif est la différence dans le potentiel électrique. Par exemple, la variation spatiale du potentiel électrique est liée au champ électrique, qui donne lieu à la force électrique sur une charge. La différence de potentiel électrique entre deux points dans une résistance entraîne l’écoulement du courant électrique.
Cette expérience utilisera aussi bien un voltmètre et un tube fluorescent pour démontrer le potentiel électrique (plus précisément, la différence de potentiel entre deux points dans l’espace) généré par une sphère chargée. L’expérience démontrera la notion de surfaces équipotentielles, qui sont perpendiculaires aux champs électriques.
Principles
Une charge ponctuelle Q située à l’origine (r = 0) produit un potentiel électrique :
(Équation 1)
à n’importe quel point dans l’espace avec une distance r de l’accusation (à l’origine r = 0). Équation 1 décrit également le potentiel électrique produit par une sphère uniformément chargée (centrée à r = 0) avec une charge totale Q dans l’espace en dehors de la sphère (Figure 1). Dans les deux cas, le point de « référence » (où le potentiel est zéro) est à la distance infinie de l’accusation. Le potentiel électrique varie le long de la direction radiale, ce qui est de la direction du champ électrique.
Pour deux points P1 et P2 avec distance r1 et r2 loin de l’origine (Centre de l’accusation), respectivement, la différence de potentiel entre ces deux points est :
(Équation 2)
Si le point P2 est à l’infini (→∞), ce qui réduit l’équation 2 à l’équation 1. Par conséquent, il y a une différence de potentiel entre deux points si et seulement si ces deux points ont une distance différente de l’origine (Centre de l’accusation). Une surface sphérique centrée à l’origine est une « surface équipotentielle » dans ce cas. Remarque dans ce cas, que le champ électrique (dans le sens radial) est perpendiculaire à la surface équipotentielle (sphère). Cela s’avère être vrai en général : la surface équipotentielle est perpendiculaire à la direction du champ électrique.
Figure 1 : Schéma montrant une sphère chargée reliée à un générateur électrique. Un voltmètre sert à mesurer le potentiel électrique en un point « A » (avec la distance r du centre de la sphère).
Procedure
1. électrique potentiel en raison d’une sphère chargée
- Obtenir un générateur van der Graff, qui peut mettre gratuitement sur une sphère métallique. Le centre de la sphère est défini comme l’origine de cette expérience.
- Obtenir un voltmètre. Connecter (à l’aide de câbles de conducteurs) son « − » terminal à la terre ou la borne sur le générateur de van der Graff de référence ou à un sol (un gros tuyau conducteur) loin (au moins plusieurs mètres) de la génératrice. Connectez la borne « + » à un câble de voltmètre avec une pointe de sonde de tension qui peut être déplacé autour. La connexion schématique est illustrée à la Figure 1.
- Tournez la manivelle du générateur au moins 10 tours pour charger la sphère.
- Avec le voltmètre allumé, placer l’extrémité de la sonde de tension (reliée à la borne « + » du voltmètre) environ 0,5 m de l’origine. Utilisez une règle pour mesurer ou marquer la distance au préalable, si vous le souhaitez. Enregistrer la tension mesurée sur le voltmètre. Déplacer la pointe, mais maintenir la distance de l’origine. Observer la lecture du voltmètre.
- Répétez les étapes ci-dessus avec l’extrémité de la sonde de tension placée à environ 1 m et 1,5 m, respectivement.
- Obtenir un tube de fluorescence (main). Porter le tube à environ 0,5 m du centre de la sphère chargée ( Figure 2 a). Tout d’abord, orienter le tube pour qu’il soit dans la direction radiale de la sphère. Observer le tube (éteignez les lumières pour faciliter l’observation dans l’obscurité relative). Tournez ensuite le tube de 90 degrés, afin qu’il soit perpendiculaire à la direction radiale ( Figure 2 b). Observer à nouveau le tube.
Figure 2: diagramme montrant une sphère chargée reliée à un générateur électrique. Un tube de fluorescence est utilisé pour indiquer la différence de potentiel entre les deux extrémités du tube. Dans le cas de (a) le tube est orienté dans la direction radiale ; et (b) le tube est orientée perpendiculairement à la direction radiale.
Potentiel électrique définit l’énergie d’une particule chargée. Il donne naissance au champ électrique et de la force électrique et est la base de nombreux phénomènes électriques.
Le terme de potentiel électrique est représenté par le symbole grec Φ. C’est une grandeur scalaire avec un signe et de l’ampleur. Toute charge crée le potentiel électrique dans l’espace qui l’entoure. Il est différent de la notion de tension, bien que ces deux grandeurs physiques sont mesurées en Volts.
Ici, nous vous expliquerons tout d’abord quels sont ces termes, discuter les paramètres qui affectent les Φ et ensuite démontrent la mesure du potentiel électrique autour d’une sphère chargée.
Tel que discuté dans l’énergie et le travail vidéo, énergie potentielle de n’importe quel objet de masse m sous l’influence de l’accélération gravitationnelle g est égale à la quantité de travail nécessaire pour déplacer cet objet par une hauteur h du 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 à un point donné par rapport à un point de référence est la quantité de travail nécessaire pour déplacer une charge test positif +q de la référence à ce point précis. La distance entre deux points est désignée par la lettre d. Analogue à l’énergie potentielle gravitationnelle, l’énergie potentielle électrique est le produit de q, det E et a les unités de Joules.
Ensuite, le potentiel électrique ou Φ à ce moment-là dans le domaine est l’énergie potentielle électrique divisé par « q », la charge sur les frais de test. Par conséquent, l’unité Φ est joules par coulomb, AKA volts.
Maintenant, si l'on considère un autre point dans le domaine, il aurait un potentiel électrique différent ; dire Φ0. Le la différence de potentiel ou Φdiff entre les deux points est appelée tension. C’est le concept derrière une batterie, où la borne positive est à un potentiel électrique 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 que c’est une grandeur scalaire avec un signe et de l’ampleur. Le signe dépend de la charge de la source. Autour d’une charge positive isolée, le potentiel est positif, alors qu’autour d’une charge négative isolée, il est négatif.
L’amplitude du potentiel dépend de la Q de la charge de la source produisant le champ électrique, la distance d de la source charge et la configuration.
Par exemple, le potentiel électrique à un moment donné autour d’une charge ponctuelle ou une sphère uniformément chargée positive avec la charge Q est donné par cette formule. Il est évident que Φ est inversement proportionnelle à la distance de la sphère. Et le graphique de l’ampleur potentielle électrique par rapport à distance est une parcelle carrée inverse avec la valeur potentielle électrique, proche de zéro à l’infini.
Cette dépendance à l’égard d indique également que tous les emplacements dans le même rayon de la sphère chargée aurait le même potentiel. Cela signifie qu’il y a liaison équipotentielle des surfaces de forme sphérique autour d’une sphère chargée.
Maintenant que nous avons expliqué les concepts de différence de potentielle et de potentielle électrique, nous allons voir comment valider ces principes expérimentalement à l’aide d’une sphère chargée.
Cette expérience utilise un générateur de Van der Graff pour charger une sphère métallique. Reliez la borne négative d’un voltmètre pour terminal de référence de la génératrice ou le sol. Utilisez un câble pour relier la borne positive du voltmètre à une extrémité de la sonde.
Tournez la manivelle du générateur d’au moins 10 fois pour charger la sphère puis allumez le voltmètre et placer l’extrémité de la sonde de tension près d’un demi mètre du centre de la sphère. Enregistrer la tension mesurée à cet endroit.
Déplacer l’extrémité de la sonde autour de la sphère tout en conservant un rayon constant d’un demi mètre du centre. Pendant ce temps, observer les mesures de voltmètre et notez comment la lecture reste constante, ce qui indique une surface équipotentielle sphérique.
Répétez cette procédure avec l’extrémité de la sonde à une distance d’un mètre, puis un an et demi de mètres du centre de la sphère.
L’intrigue du potentiel mesuré par rapport à distance affiche une courbe qui décroît inversement avec la distance, ce qui valide la relation théorique entre le potentiel électrique et de la distance, pour une sphère chargée.
Potentiel électrique est l’un de des grandeurs électriques plus couramment utilisés et est fondamentale pour le stockage et le dégagement d’énergie électrique.
Un microscope électronique utilise une différence de potentiel électrique élevée pour accélérer les électrons dans un faisceau qui bombarde l’échantillon en cours d’examen. Ces électrons agissent comme une lumière dans un microscope optique, mais avec beaucoup plus petites longueurs d’onde et une résolution spatiale beaucoup plus grande, ce qui permet la possibilité de visualiser les sub-micronique taille des structures.
Potentiel électrique est une composante importante de l’électrophorèse sur gel - une technique de biologie moléculaire, couramment utilisée pour séparer les grosses molécules, telles que l’ADN, de taille et de la charge. Dans cette technique, le matériel de 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 qui en résulte, les différentes molécules et fragments moléculaires se déplacent avec une vitesse qui dépend de la charge et le poids moléculaire.
Vous avez juste regardé introduction de JoVE de potentiel électrique. Vous devez maintenant savoir comment mesurer le potentiel électrique et comprendre comment il affecte les accusations et a trait à l’énergie de potentiel électrique. Merci de regarder !
Results
Incréments de 1,4 à 1,5, le voltmètre peut être observé à présenter des résultats similaires si l’extrémité de la sonde est maintenue à une distance similaire depuis l’origine (autrement dit, sur une surface équipotentielle). Cependant, la tension chute si la sonde se déplace plus loin loin de l’origine. La tension mesurée à 1 m et 1,5 m de distance sera environ 1/2 et 1/3 de la lecture à 0,5 m, respectivement. Si la tension V mesurée par rapport à la distance inverse (1/r) est tracée, une ligne droite qui entraîne, comme prévu à partir de l’équation 1.
Applications and Summary
Potentiel électrique (tension) est omniprésent et peut-être les plus couramment utilisés quantité d’électricité. Il est souvent beaucoup plus facile à utiliser le potentiel électrique (qui est un scalaire) que le champ électrique (qui est un vecteur), même si les deux peuvent être liés entre eux. Différence de potentiel électrique est utilisé pour la commande et commande charge motion (accélérer/ralentir/dévier des charges), par exemple dans un écran de télévision ou un microscope électronique. Différence de potentiel électrique (ce que nous appelons habituellement tension) est aussi ce qui anime actuel courant dans un conducteur. Chaque fois qu’on mesure une tension, on mesure la différence de potentiel électrique entre deux points (qui est parfois un point de référence ou au sol définie pour avoir zéro potentiel).
L’auteur de l’expérience reconnaît l’aide de Gary Hudson pour la préparation du matériel et Chuanhsun Li pour démontrer les étapes dans la vidéo.
