Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre ce qu’est la différence de potentiel électrique, et comment une différence de potentiel électrique aux bornes d’un composant génère un courant à travers ce composant.
La différence de potentiel électrique (ou tout simplement « différence de potentiel ») est l’un des concepts les plus importants dont nous nous servons lorsque nous parlons de l’électricité. La compréhension de la différence de potentiel est essentielle si nous voulons décrire le fonctionnement des circuits et des appareils électriques.
Pour comprendre la différence de potentiel, nous devons examiner comment la charge peut circuler dans certains matériaux. Les appareils électriques dépendent du flux de charge à travers les composants. Ce flux de charge est appelé courant. Les matériaux qui laissent circuler un courant (par exemple le cuivre) sont appelés conducteurs.
Regardons de plus près le comportement des conducteurs. Un conducteur est composé de noyaux atomiques chargés positivement (représentés en rouge) et d’électrons chargés négativement (représentés en bleu). Les noyaux atomiques sont fixés en place.
Rappelons que les objets de charges opposées s’attirent et que les objets de même charge se repoussent. Dans de nombreux matériaux, les électrons négatifs sont fortement attirés par les noyaux positifs, ce qui signifie que chaque électron reste étroitement lié à l’un des noyaux stationnaires. Mais ce n’est pas le cas des conducteurs ! Les conducteurs contiennent des électrons qui peuvent se déplacer librement. Cela signifie que lorsque nous disons qu’il y a un courant dans un conducteur, des électrons circulent.
Tous les électrons sont chargés négativement , ce qui signifie qu’ils se repoussent les uns les autres. Cela signifie qu’ils ont tendance à s’étaler et à s’éloigner le plus possible les uns des autres.
Nous savons que la circulation des électrons est essentielle pour les appareils électriques. Mais qu’est-ce qui cause la circulation des électrons ? Imaginons que nous avons ajouté des électrons supplémentaires à l’extrémité gauche de notre conducteur.
Maintenant que nous avons ajouté des électrons supplémentaires, nous pouvons voir qu’ils sont « groupés » à gauche. Ces électrons se repoussent tous entre eux, alors ils s’étalent pour s’éloigner les uns des autres. Bien que les électrons individuels puissent se déplacer selon différentes quantités et selon différentes directions, il y a un flux global d’électrons de gauche à droite.
(Ici, on peut rappeler que, en physique, on parle souvent de « courant conventionnel ». Le courant conventionnel est défini dans le sens opposé du flux réel des électrons. Ainsi, dans cet exemple où les électrons circulent vers la droite, on dira que la direction du courant conventionnel est vers la gauche.)
Alors, qu’est-ce que tout cela a à voir avec la différence de potentiel ? Eh bien, lorsque les électrons sont « groupés », nous avons vu qu’ils s’étalent naturellement pour remplir uniformément l’espace disponible. Dans ce cas, les électrons se déplacent de gauche à droite. Chaque fois que l’on oblige à des électrons de se déplacer d’un point à un autre, on peut dire qu’il y a une différence de potentiel entre ces points. En d’autres mots, la différence de potentiel décrit à quel point les électrons sont poussés à se déplacer d’un point à un autre.
La différence de potentiel est toujours mesurée entre deux points. Lorsqu’il y a une différence de potentiel entre deux points, cela signifie que la charge a tendance à circuler d’un point à un autre. Dans cet exemple, le « regroupement » d’électrons qui se repoussent signifie qu’il y a une différence de potentiel entre l’extrémité gauche et l’extrémité droite du conducteur.
Dans ce cas, une fois que les électrons se sont déplacés et se sont étalés, il n’y a plus rien qui les amène à circuler dans une direction particulière. Ainsi, une fois que cela s’est produit, il n’y a plus de différence de potentiel entre les extrémités du conducteur.
Exemple 1: Décrire les effets d’une différence de potentiel sur un conducteur
Le schéma illustre les électrons et les noyaux atomiques dans une section de fil de cuivre. Les cercles bleus représentent les électrons et les cercles rouges représentent les noyaux atomiques.
Une différence de potentiel électrique est établie entre l’extrémité gauche et l’extrémité droite du fil. Laquelle des affirmations suivantes décrit le mieux ce qui se passera dans le fil ?
- Il ne se passera rien.
- Les électrons sortiront du fil.
- Les électrons se déplaceront vers le centre du fil.
- Les électrons commenceront à se déplacer vers une extrémité du fil.
Réponse
Tout d’abord, notons que les fils sont des conducteurs. Cela signifie que les électrons dans le fil sont libres de se déplacer à travers celui-ci.
En regardant le schéma, on peut voir que les électrons sont répartis plus ou moins uniformément dans le conducteur. Cela signifie que si nous suivons simplement le schéma, nous pouvons supposer que rien ne se passera !
Cependant, dans cette question, on nous dit qu’une différence de potentiel est établie entre les extrémités gauche et droite du conducteur. Nous n’avons pas besoin de savoir quelle est la cause de cette différence de potentiel. Afin de répondre à la question, nous devons savoir comment une différence de potentiel impactera les électrons dans le conducteur.
Rappelons qu’une différence de potentiel est toujours mesurée entre deux points. L’existence d’une différence de potentiel entre ces deux points signifie que le courant circulera d’un point à l’autre, si possible.
Le fait qu’on nous dit qu’il y a une différence de potentiel entre les deux extrémités nous suffit pour conclure que les électrons vont circuler d’une extrémité à l’autre du fil s’ils le peuvent, et rien ne les empêche. En d’autres mots, le choix D est correct : les électrons commenceront à se déplacer vers une extrémité du fil.
Exemple 2: Identifier la direction d’un courant causé par une différence de potentiel
Le schéma illustre les électrons et les noyaux atomiques dans une section de fil de cuivre. Les cercles bleus représentent les électrons et les cercles rouges représentent les noyaux atomiques.
Une différence de potentiel électrique est établie entre l’extrémité gauche et l’extrémité droite du fil. Cela crée un courant électrique à dans le fil. Laquelle des flèches indique le mieux le sens du courant dans le fil ?
Réponse
Ici, on nous dit qu’une différence de potentiel est établie entre les extrémités gauche et droite du fil illustré. L’existence d’une différence de potentiel entre deux points signifie que les électrons ont tendance à circuler d’un point à l’autre. En d’autres mots, il y aura un courant d’un point à l’autre.
Dans ce cas, puisqu’il y a une différence de potentiel entre les extrémités du fil, nous savons que cela créera un courant d’une extrémité du fil à l’autre. Cependant, nous ne savons pas quel sens il suivra : vers la droite ou vers la gauche.
En regardant les choix de réponse, nous pouvons voir que nous ne pouvons pas choisir « vers la gauche ». Cela signifie que nous savons que la bonne réponse est iii : le courant ira vers la droite.
La différence de potentiel est mesurée en volts , représentée par le symbole V. On utilise aussi le symbole pour représenter la différence de potentiel dans les équations. Pour cette raison, la différence de potentiel est souvent appelée « tension » (« voltage » en anglais).
Certains appareils sont capables de produire une différence de potentiel. L’une des plus courantes en physique est la pile. On peut s’imaginer une pile comme étant un dispositif qui pousse des électrons hors d’une borne et les attire vers l’autre borne.
Si nous connectons les bornes d’une pile avec un fil conducteur, comme illustré sur le schéma de circuit ci-dessous, un courant sera produit dans le fil selon le sens indiqué par les flèches.
Le schéma suivant illustre le même circuit avec une ampoule connectée.
Si une ampoule est connectée à ce circuit, alors la différence de potentiel entre les bornes de la pile produira un courant à travers l’ampoule, l’amenant à s’allumer.
En fournissant une différence de potentiel à un circuit, une pile doit effectuer du travail sur les électrons du circuit. C’est une autre façon de dire qu’une pile doit donner de l’énergie aux électrons pour les déplacer autour d’un circuit. La valeur d’une différence de potentiel, mesurée en volts, décrit la quantité d’énergie qui sera exercée sur chaque unité de charge qui circule autour du circuit.
Les volts peuvent aussi être exprimés en joules (l’unité d’énergie) par coulomb (l’unité de charge) :
Cela signifie que, par exemple, une pile avec une différence de potentiel de 9 volts entre ses bornes dépensera 9 joules d’énergie sur chaque coulomb de charge qu’il déplace autour d’un circuit. Une pile avec une différence de potentiel plus élevée entre ses bornes effectuera plus de travail sur chaque unité de charge : elle pousse les électrons plus fort et produit généralement un courant plus grand.
Points clés
- La différence de potentiel électrique est toujours mesurée entre deux points. Il décrit à quel point les électrons sont conduits d’un point à un autre.
- Les électrons dans les conducteurs sont libres de circuler. S’il y a une différence de potentiel entre deux points et que ces points sont connectés par un conducteur, la charge passera d’un point à l’autre.
- La différence de potentiel est mesurée en volts , qui peut être représenté par le symbole V.
- On peut aussi penser à la différence de potentiel comme la quantité d’énergie utilisée pour déplacer un volt de charge entre deux points. 1 volt est équivalent à 1 joule par coulomb.
