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Définition de la différence de potentiel
Ladifférence de potentiel (également appelée tension) peut être un concept déroutant que de nombreux élèves ont du mal à saisir au début. Mais ne te laisse pas dissuader - nous pouvons utiliser une analogie hydraulique pour comprendre plus facilement ce qu'est la différence de potentiel et comment elle affecte le comportement d'un circuit électrique.
Considérons un système de pompes et de réservoirs comme celui illustré dans le schéma ci-dessous. Lorsqu'une pompe élève l'eau vers un réservoir surélevé, elle ajoute de l'énergie au système en augmentant l'énergie potentielle gravitationnelle de l'eau(1). La gravité agissant sur l'eau surélevée signifie que l'eau au fond du réservoir est sous haute pression(2). Si nous ouvrons une vanne permettant à l'eau de descendre dans un tuyau et d'entraîner une turbine, elle s'écoule à une vitesse qui dépend de la pression de l'eau et de la résistance de la turbine(3). Enfin, en entraînant la turbine, l'énergie potentielle gravitationnelle stockée dans l'eau est convertie en énergie cinétique, qui est retirée du système(4). L'eau au fond du tuyau n'a plus d'énergie stockée - jusqu'à ce que nous puissions utiliser une pompe pour ajouter de l'énergie potentielle à l'eau et la renvoyer au sommet du système(1).
Diagramme illustrant l'analogie hydraulique d'un circuit électrique. [À gauche] - un système de pompes et de réservoirs qui stocke l'énergie sous forme de potentiel gravitationnel et la libère sous forme d'énergie cinétique. [À droite] - un circuit électrique qui stocke l'énergie sous forme de différence de potentiel dans les porteurs de charge, qui est libérée sous forme de travail lorsqu'ils passent à travers une résistance. Originaux de StudySmarter.
Ce système est une analogie utile d'un circuit électrique simple composé d'une pile et d'une résistance, comme celui illustré sur le schéma. La batterie fournit une différence de potentiel aux porteurs de charge(1), qui est analogue à l'énergie potentielle gravitationnelle ajoutée à chaque particule d'eau. Après avoir traversé la batterie, chaque électron transporte de l'énergie électrique en raison de la différence de potentiel fournie par la batterie(2). Les porteurs de charge circulent dans le circuit, ce qui peut être mesuré par le courant \(I\) qui dépend de la différence de potentiel \(V\) et de la résistance du circuit \(R\)(3), comme défini par la loi d'Ohm :
$$V=IR$$
ou en mots,
$$\mathrm{Potentiel}\\N;\Nmathrm{différence}\N;=\N;\Nmathrm{courant}\N;\Ntemps\N;\Nmathrm{résistance}$$$.
Lorsque les porteurs de charge traversent la résistance, leur énergie électrique est convertie en travail, ce qui utilise l'énergie qu'ils ont stockée(4). Comme les porteurs de charge ne stockent plus d'énergie électrique, leur différence de potentiel est maintenant nulle alors qu'ils retournent vers la batterie. Lorsqu'ils traversent à nouveau la batterie, ils gagnent en différence de potentiel et le processus se répète(1).
J'espère que cette analogie t'aidera à comprendre que la différence de potentiel est une mesure de la quantité d'énergie électrique potentielle qu'un porteur de charge détient entre deux points d'un circuit. La différence de potentiel est mesurée dans l'unité SI des volts (\mathrm{V}\).
La différence de potentiel entre deux points d'un circuit est égale à la différence de quantité d'énergie potentielle que les porteurs de charge possèdent par unité de charge entre ces deux points. En d'autres termes, l'énergie transférée (en joules) par les porteurs de charge par coulomb de charge entre deux points d'un circuit est égale à la différence de potentiel (ou tension) entre ces points.
L'analogie hydraulique peut également être utilisée pour aider à comprendre comment le courant, la tension et la résistance se comportent dans les circuits en série et en parallèle.
Tu connais bien le Joule (\mathrm{J}\) en tant qu'unité primaire d'énergie utilisée en physique. Cependant, une autre unité souvent utilisée en physique nucléaire et atomique est l'électron-volt (\mathrm{eV}\) ! Il s'agit de la quantité d'énergie qu'un seul électron gagne lorsqu'il se déplace à travers une différence de potentiel de \(1\;\mathrm{V}\). \(1\;\mathrm{eV}\) est équivalent à \(1.602\times10^{-19}\;\mathrm{J}\).
Formule de la différence de potentiel
Comme nous venons de l'établir, la différence de potentiel est une mesure de la différence d'énergie potentielle que chaque unité de charge contient entre deux points d'un circuit électrique. Cela signifie que si nous connaissons une quantité d'énergie transférée \(E\)entre deux points d'un circuit et la quantité de charge \(Q\) qui a circulé pour transférer l'énergie, nous pouvons calculer la différence de potentiel \(V\) entre les points à l'aide de la formule ci-dessous :
$$V=\frac EQ\;$$
ou en d'autres termes,
$$\mathrm{Potentiel}\;\mathrm{différence}\;=\;\frac{\mathrm{énergie}\;\mathrm{transféré}}{\mathrm{charge}\;\mathrm{flux}}$$$.
| Quantité | Symbole | Unité SI |
| Différence de potentiel | V | V (Volts) |
| Énergie transférée | E | J (Joule) |
| Charge | Q | C (Coulomb) |
Unité de différence de potentiel
En étudiant la formule \(V=\frac EQ\), nous pouvons voir qu'une différence de potentiel de \(1\;\mathrm{V}\) est égale à \ (1\;\mathrm{J}\) d'énergie par \ (1\;\mathrm{C}\) de charge.
L'unité SI de la différence de potentiel est leVolt \(\mathrm{V}\), équivalent à un Joule parcoulomb \((\mathrm{J}/\mathrm{C})\).
Équation de la différence de potentiel et symbole
Un autre ensemble d'équations traitant de la différence de potentiel sont celles définies dans la loi d'Ohm, qui décrivent comment le courant \(I\) passant à travers un composant électrique ohmique est déterminé par la différence de potentiel \(V\) à travers le composant et la résistance électrique du composant \(R\). Nous avons fait référence à cette loi et à sa formule plus haut dans l'article.
Relier la différence de potentiel à la puissance électrique
En rappelant que le courant est la vitesse à laquelle la charge circule dans un circuit, mesurée en coulombs par seconde, nous pouvons dériver une équation pour la puissance(énergie par seconde) d'un circuit électrique.
Si nous savons qu'une certaine quantité d'énergie (Q) a été transférée entre deux points d'un circuit par une certaine quantité de charge (C), nous pouvons calculer la différence de potentiel (V) de la charge entre ces points :
$$V=\frac EQ$$
Si nous savons également que le transfert d'énergie a duré \(t\) secondes, nous pouvons alors déterminer le courant \(I\) :
$$I=\frac Qt$$$
En réarrangeant ces deux équations pour \(Q\), nous obtenons :
$$\begin{array}{rcl}Q&=&\textstyle\frac EV\\Q&=&It\end{array}$$
Enfin, nous pouvons combiner ces équations pour trouver une équation pour la puissance \(P\):
$$\begin{array}{rcl}\textstyle\frac EV&=&It\\E&=&IVt\\\textstyle\frac Et&=&IV\\P&=&IV\end{array}$$
ou en mots,
$$\mathrm{Puissance}\;=\;\mathrm{courant}\\\N- Temps\N;\mathrm{potentiel}\N- \Mathrm{différence}$$$.
Différence de potentiel dans une batterie
Une batterie ajoute un potentiel électrique aux porteurs de charge lorsqu'ils la traversent. La batterie peut également être considérée comme la source de courant dans un circuit - Comme la borne positive de la batterie a un potentiel électrique plus élevé que la borne négative, les charges positives sont repoussées par la borne positive de la batterie et attirées par la borne négative, ce qui crée un courant lorsqu'elles circulent dans le circuit. Cette attraction/répulsion est équivalente à la gravité dans l'exemple hydraulique.
Les batteries d'un circuit transfèrent l'énergie chimique stockée en électrons porteurs de charge, ce qui augmente leur différence de potentiel au fur et à mesure qu'ils circulent dans le circuit. Flickr.
Dans un vrai circuit électrique, les porteurs de charge sont les électrons - qui sont en fait chargés négativement ! Cela signifie que les porteurs de charge dans un circuit se déplacent de la borne négative vers la borne positive. Lorsque l'électricité a été découverte pour la première fois, cela n'était pas encore connu, et le courant conventionnel était défini comme se déplaçant du positif vers le négatif. C'est le contraire du courant électronique, qui circule du négatif vers le positif. Il est important de connaître cette différence lors de l'analyse des circuits, mais elle ne fait pas partie du cahier des charges des examens GCSE.
- Lorsque la source d'énergie d'un circuit électrique transfère un Joule d'énergie à chaque coulomb de charge, on dit que la source d'énergie fournit un volt de différence de potentiel.
- Pour mesurer la différence de potentiel entre les deux bornes d'une pile, d'une batterie ou d'une autre source d'énergie, nous utilisons un voltmètre . Les voltmètres peuvent être utilisés pour mesurer la différence de potentiel entre n'importe quel composant d'un circuit électrique ou entre deux points.
Les voltmètres peuvent être utilisés pour mesurer la différence de potentiel entre deux points d'un circuit. Si aucune énergie n'est transférée entre les deux points mesurés par le voltmètre, la différence de potentiel sera de 0 volt. StudySmarter Originals.
Exemples de différences de potentiel
Examinons quelques exemples de problèmes qui nous permettront d'appliquer nos nouvelles connaissances à différents scénarios.
Si une batterie dans un circuit transfère un total de \(100\;\mathrm{J}\) d'énergie à \(25\;\mathrm{C}\) de charge, quelle différence de potentiel (tension) serait mesurée aux bornes de la batterie ?
- Détermine les informations que nous obtenons grâce à cette question. Nous connaissons la quantité d'énergie \(E=100;\mathrm{J}\). Nous savons également que la quantité de charge \ (Q=25\;\mathrm{C}\). La question nous demande de trouver la différence de potentiel, \(\mathrm{V}\).
- Choisis la bonne équation à utiliser. Comme la question implique les quantités \(E, Q, V\), nous pouvons utiliser \(V=\frac EQ \).
- Insère les valeurs pour trouver la réponse :
$$V=\;\frac{100\;\mathrm J}{25\;\mathrm C}=4\;\mathrm J/\mathrm C=\mathbf4\boldsymbol\;\mathbf V$$.
La même batterie que dans la question précédente prend 20 secondes pour transférer 240 joules d'énergie. Quel courant les porteurs de charge/électrons parcourent-ils dans la batterie ?
- Détermine les informations que nous obtenons grâce à cette question. Nous savons déjà que la différence de potentiel de la batterie est de\(V=4\;\mathrm{V}\). La quantité d'énergie transférée \ (E=240\;\mathrm{J}\) et le temps nécessaire \(t=20\; \mathrm{J}\).\(t=20\;\mathrm{s}\).
- La première étape consiste à déterminer la quantité de charge qui a circulé dans la batterie. Nous pouvons réarranger l'équationà \N(V=E/Q\N) pour la trouver : \(Q=240\;\mathrm{J}/4\;\mathrm{V}=60\;\mathrm{C}\).
- Maintenant que nous connaissons la quantité de charge, nous la divisons par le temps nécessaire pour trouver la charge par seconde, le courant :
#
Un chauffage d'appoint \(1000\;\mathrm{W}\) tire \(4\;\mathrm{A}\) de courant de son alimentation électrique. Détermine à quelle différence de potentiel l'appareil fonctionne.
- Détermine les informations données. La question nous indique que la puissance de l'appareil est de \(P=1000\;\mathrm{W}\), et qu'il consomme un courant de \(I=4\;\mathrm{A}\). Cela nous indique que la puissance est respectivement de \(1000\;\mathrm{joules par seconde}\) et le courant de \ (4\;\mathrm{coulombs par seconde}\).
- Nous pouvons déterminer la différence de potentiel à partir de la quantité d'énergie transférée par coulomb de charge. En une seconde, \(4\;\mathrm{C}\) transfère \(1000\;\mathrm{J}\) d'énergie, ce qui signifie que \(1\;\mathrm{C}\) transfère \ (250\;\mathrm{J}\).
- La différence de potentiel peut être trouvée en utilisant \(V=\frac EQ\) :
$$V\;=\;\frac EQ=\frac{1000\;\mathrm J}{4\mathrm C}=\mathbf{250}\boldsymbol\;\mathbf V$$$.
Différence de potentiel - Points clés
- La différence de potentiel est la quantité d'énergie transférée par unité de charge entre deux points d'un circuit électrique.
- Un courant passera à travers une résistance s'il y a une différence de potentiel ou une tension à travers le composant.
- La différence de potentiel électrique entre deux points quelconques peut être calculée à l'aide de la formule suivante :
$$V=\frac EQ$$.
- L'unité SI de la différence de potentiel est leVolt \(\mathrm{V}\).
- La relation entre le courant, la différence de potentiel et la résistance dans un composant électrique ohmique est définie par la loi d'Ohm :
$$V=IR$$
ou en d'autres termes,
$$\mathrm{Puissance}\;=\;\mathrm{courant}\\\N-temps\N;\mathrm{potentiel}\N;\mathrm{différence}$$$.
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