Vidéo de la leçon: Différence de potentiel électrique Sciences

Transcription de la vidéo

Dans cette vidéo, 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. Nous allons voir que la différence de potentiel est liée à la notion de travail fourni aux charges électriques.

Commençons par considérer deux objets. Cela peut être n’importe quel type d’objet. Des billes, des balles de ping-pong ou des ballons. Mais ce qui est important à propos de ces objets, c’est que chacun possède une charge électrique. Rappelons-nous qu’il existe deux types de charges électriques. Il existe des charges positives et des charges négatives. Nous allons dire que l’objet de gauche a une charge positive et l’objet de droite une charge négative.

Lorsqu’un objet possède une charge électrique, il va exercer une force sur tout autre objet qui possède également une charge électrique. Chacun des objets va donc exercer une force sur l’autre objet. Nous pouvons déterminer de quel type de force il s’agit car les deux objets ont des charges électriques opposées. Les objets qui ont des charges électriques opposées s’attirent. L’objet rouge va être attiré vers la droite et l’objet bleu vers la gauche. Les objets vont donc se rapprocher. Et en fait, ils vont se rapprocher jusqu’à entrer en contact. Pour empêcher que cela se produise, c’est-à-dire pour que les charges restent à leurs places ou même pour qu’elles s’éloignent l’une de l’autre, il faudrait exercer une force sur ces charges. Cette force doit être au moins aussi forte que la force qui les attire l’une vers l’autre.

Disons qu’il est possible de faire cela et que nous pouvons appliquer une force sur ces deux objets. Alors, appelons cette force 𝐹 et disons qu’elle est assez forte pour éloigner les deux objets l’un de l’autre. En faisant cela, les objets sont soumis à ce qu’on appelle un travail. En physique, le mot travail a une signification particulière. Le travail est égal à la force exercée sur un objet, multipliée par le déplacement ou la distance parcourue par cet objet. Comme nous avons exercé une force sur les deux objets chargés positivement et négativement et que ces deux objets se sont déplacés à cause de cette force, nous les avons soumis à un travail. Tout cela est étroitement lié à la différence de potentiel électrique. Chaque fois qu’un travail est fourni et que ce travail est réparti sur une certaine quantité de charge électrique, il y a création d’une différence de potentiel électrique.

Le terme « différence de potentiel électrique » peut sembler complexe, mais maintenant nous savons ce qu’il signifie physiquement. Si nous avons un groupe d’objets avec des charges électriques données, disons, ces deux objets ici, et si nous leur fournissons un travail, alors nous allons créer une différence de potentiel électrique. Cette équation nous indique comment obtenir une différence de potentiel électrique plus ou moins grande. Nous pouvons augmenter la différence de potentiel électrique entre ces deux objets en leur fournissant un travail plus grand. Cela veut dire exercer la force 𝐹 pendant une durée plus longue pour que les charges s’éloignent davantage. Et si nous voulons réduire la différence de potentiel électrique de ces charges, il faut bien sûr fournir un travail moins important. Dans ce cas, les charges vont finir par se rapprocher plutôt que de s’éloigner.

Mais nous voyons qu’il y a un autre paramètre qui a un impact sur la différence de potentiel électrique, c’est la quantité de charge en jeu. Si, par exemple, nous augmentons la quantité de charges de chacun des objets tout en conservant le même travail fourni que précédemment, alors leur différence de potentiel électrique va diminuer. Ce principe qui consiste à séparer des charges électriques en fournissant un travail est en fait le principe de base de la circulation des charges dans un circuit électrique.

Prenons un bloc de métal, que nous posons ici. Si nous regardons ce bloc de métal de très près, nous pouvons voir les atomes qui le composent. Ici, chaque point rouge représente le noyau d’un atome. Ce noyau a une charge globalement positive et chaque petit point bleu représente un électron. Les électrons ont une charge électrique négative. Donc, nous avons des objets avec des charges électriques positives et négatives répartis sur l’ensemble de ce bloc de métal. Comme nous l’avons fait précédemment pour les deux objets avec des charges, nous pouvons fournir un travail à ces charges. Mais il y a quelque chose de différent ici. Comme il s’agit d’un bloc de métal, les noyaux chargés positivement sont donc fixes. Ils ne peuvent pas se déplacer. Les électrons, en revanche, peuvent bouger. Ils sont libres de se déplacer dans l’ensemble du matériau.

Donc, si nous voulons fournir un travail à ces charges pour les séparer, pour les séparer encore plus qu’elles ne le sont naturellement, les points rouges, les noyaux, vont rester fixes. Mais les points bleus, les électrons, vont se déplacer vers une des extrémités du bloc. La répartition des charges dans le métal va ressembler à ceci. Notons qu’il y a maintenant beaucoup plus d’électrons au niveau de cette extrémité du bloc et beaucoup moins d’électrons ici. Et répétons-le, cela s’est produit parce que nous avons fourni un travail à ces charges. Comme un travail a été fourni à ce groupe de charges, cela signifie qu’il existe une différence de potentiel électrique entre les deux extrémités du bloc. Nous avons réussi à séparer les charges, de sorte que la majorité des charges négatives se trouvent maintenant ici alors que la majorité des charges positives est ici, parce que nous avons exercé une force sur ces charges.

Si cette force n’est plus exercée, toutes ces charges négatives vont revenir à leur position initiale, avec une répartition uniforme dans le bloc. Mais, disons que nous souhaitons maintenir cette différence de potentiel électrique. C’est-à-dire que nous continuons à déplacer les charges négatives vers le côté droit du bloc. Même si ces charges sont attirées vers le côté gauche qui est globalement positif, elles ne peuvent pas se déplacer dans cette direction car nous exerçons une certaine force. De cette configuration, ce bloc de métal peut être assimilé à une batterie ou à une pile. La fonction d’une pile dans un circuit électrique est de fournir une différence de potentiel électrique. Nous avons vu que les charges négatives situées au niveau de cette extrémité de la pile sont naturellement attirées par les charges positives situées au niveau de cette extrémité, mais qu’elles ne peuvent pas se déplacer dans cette direction tant que nous maintenons une différence de potentiel électrique.

Prenons maintenant, un fil relié à une ampoule et fixons les extrémités du fil aux deux extrémités de la pile, comme ceci. Les charges négatives situées au niveau de cette extrémité de la pile, qui se repoussent les unes des autres, ont maintenant un chemin pour se rendre vers l’extrémité positive de la pile. Les électrons négatifs vont circuler de cette manière. Le fil contient déjà des électrons. Et le mouvement des électrons situés dans la pile va les faire circuler le long du fil, ce qui va allumer l’ampoule et faire circuler les charges tout autour du circuit jusqu’à arriver à l’extrémité positive de la pile. Ce flux d’électrons s’appelle le courant électrique.

Dès qu’une différence de potentiel électrique est appliquée à un circuit électrique, les charges circulent. Et il y aura du courant. La valeur du courant dépend, en partie, de la valeur de la différence de potentiel électrique. La différence de potentiel électrique est mesurée avec une unité appelée volt. Une petite pile ou batterie, par exemple, peut fournir une différence de potentiel de 1,5 volts. Dans cette configuration de la pile, nous avons vu que cette extrémité, ici, a une charge globalement négative. Cette extrémité s’appelle la borne négative de la pile. De même, cette extrémité ici, où nous avons principalement des charges positives, est appelée la borne positive.

On peut représenter une pile avec un symbole utilisé dans les circuits électriques. Une pile avec sa borne positive à gauche et sa borne négative à droite est représenté de cette façon. Il faut noter que le trait le plus court correspond à la borne négative. De même, il existe un symbole pour les ampoules. Il ressemble à ceci. C’est un cercle avec une croix au milieu. Lorsque nous connectons ces symboles avec deux traits, ils sont maintenant réunis en un seul circuit continu. Donc, voici la pile avec la borne positive sur la gauche, voici l’ampoule, et voici le fil qui relie la pile et l’ampoule. Comme la pile crée une différence de potentiel électrique aux bornes de l’ampoule, les charges électriques vont la traverser.

Maintenant que nous avons vu toutes ces notions, regardons quelques exemples.

L’image représente un électron situé à proximité d’un noyau atomique. Le noyau atomique et l’électron s’attirent-ils ou se repoussent-ils ?

Sur cette image, nous avons deux objets : un noyau atomique et un électron. La question est de savoir si le noyau et l’électron s’attirent ou se repoussent. Cela veut dire qu’il existe une certaine force qui s’exerce entre eux. Une force va s’exercer entre ces deux objets s’ils possèdent tous les deux une charge électrique. Et c’est le cas en effet. Un électron possède une charge électrique négative, tandis qu’un noyau atomique possède une charge électrique positive. Comme les deux objets sont chargés, il s’exerce une force entre eux. De plus, nous savons que ces objets sont de charges électriques opposées. Si deux objets sont de charges électriques opposées, ils s’attirent. Il existe donc une force exercée depuis le noyau vers l’électron et une force exercée depuis l’électron vers le noyau. Pour répondre à la question, il faut dire que le noyau et l’électron s’attirent.

Voyons maintenant la deuxième partie de cet exemple.

Laquelle des affirmations suivantes est vraie ? (A) L’électron peut être éloigné du noyau sans fournir de travail. (B) Pour éloigner l’électron du noyau, il faut fournir un travail.

Nous avons vu dans la première partie de cette question qu’il existe une force attractive entre le noyau et l’électron. Cette force a tendance à rapprocher l’électron et le noyau. Mais dans cette question, on souhaite éloigner l’électron du noyau. Pour cela, il faut exercer une force qui soit assez grande pour vaincre la force attractive qui tend à rapprocher l’électron du noyau. Nous devons donc exercer une force sur l’électron et c’est cette force qui va permettre de l’éloigner davantage du noyau. Si nous exerçons une force sur l’électron sur une certaine distance, cela signifie que nous fournissons un travail. S’il n’y a aucun travail fourni à l’électron, il n’est pas possible qu’il s’éloigne davantage du noyau. Il faut donc choisir la réponse (B). Pour éloigner l’électron du noyau, il faut fournir un travail.

Voyons maintenant un autre exemple.

Les charges contenues dans une pile reçoivent un certain travail afin de les séparer et de les répartir vers les deux bornes . Complétez la phrase suivante : La différence de potentiel fournie par la pile est égale à …. divisée par …. (A) la quantité de charge séparée, la quantité de travail effectuée (B) la quantité de charge séparée, la distance entre les bornes (C) la quantité de travail fournie, la quantité de charges séparées (D) la quantité de travail fournie, la distance entre les bornes

Il est donc question ici d’une pile, faisons un peu de place en haut de l’écran et considérons ce qui se passe dans cette pile. Cette pile contient des charges électriques. Il possède des charges positives, représentées ici en rouge, répartie uniformément. Et il possède aussi des charges négatives, en bleu. Ces charges peuvent se déplacer dans la pile. On nous dit que la pile fournit un travail afin de séparer ces charges. Cela signifie qu’il exerce des forces sur les charges et qu’elles se déplacent. Nous avons déjà vu que les charges rouges, les charges positives, sont fixes, mais que les charges négatives bleues peuvent se déplacer. Donc, cette force va avoir pour effet de concentrer les charges négatives bleues au niveau d’une extrémité de la pile.

C’est pourquoi cette extrémité est appelée la borne négative de la pile. Et cela signifie que l’autre extrémité, où il y a davantage de charges positives que négatives, correspond à la borne positive. La pile a donc fourni un travail aux charges afin de les séparer. Cette séparation des charges implique qu’il existe maintenant une différence de potentiel aux bornes de la pile.

Nous devons déterminer laquelle des quatre propositions décrit le mieux cette différence de potentiel en complétant les blancs dans la phrase. La première chose que nous pouvons dire à propos de cette différence de potentiel est qu’elle dépend de la quantité de travail fournie aux charges dans la pile. Plus la quantité de travail est importante, plus les charges négatives vont se déplacer vers la borne négative, et donc plus la différence de potentiel va être grande. Nous pouvons aussi remarquer que cette phrase décrit une fraction. Le premier blanc est divisé par le deuxième blanc, quel qu’il soit. Nous pouvons visualiser cette phrase comme une équation mathématique donnant la différence de potentiel.

Faisons encore un peu plus de place. Cette équation serait de cette forme. La différence de potentiel fournie par la pile, nous l’appellerons DP, est égale au premier terme de la phrase divisé par le deuxième terme. Juste avant, nous avons noté que plus le travail fourni aux charges dans la pile est important, plus la différence de potentiel aux bornes de la pile sera grande. Cette grandeur doit donc être le premier terme de la phrase. La quantité de travail fournie par la pile correspond au numérateur de cette fraction. En regardant les réponses possibles, nous voyons que la quantité de travail fournie apparaît comme premier terme seulement pour les réponses (C) et (D).

Nous pouvons donc immédiatement éliminer les réponses (A) et (B). La différence entre les réponses (C) et (D) est le terme suggéré pour compléter le deuxième blanc. Pour la réponse (C), nous avons la quantité de charges séparées. Alors que pour la réponse (D), nous avons la distance entre les bornes, c’est-à-dire la distance physique entre les bornes positive et négative de la pile.

Alors, réfléchissons un instant à la notion de travail telle qu’elle s’applique dans les phénomènes physiques. Le travail fourni à un objet, prenons par exemple une de ces charges dans la pile, est égal à la force exercée sur cette charge, multipliée par la distance parcourue par la charge. Autrement dit, la distance parcourue par ces charges est déjà comprise dans la notion de travail. Nous n’avons donc pas besoin de prendre en compte cette distance de nouveau, comme suggéré dans la réponse (D). Si, au lieu de la distance, nous choisissons la charge pour le dénominateur de cette fraction, alors nous voyons que pour une quantité donnée de travail fourni aux charges, si la charge séparée est grande, le travail fourni ne va pas beaucoup séparer les charges. Et la différence de potentiel n’est pas très élevée.

Par contre, pour une quantité de charge plus faible, la même quantité donnée de travail fournie va éloigner les charges relativement plus loin les unes des autres. Pour une quantité donnée de travail fournie, s’il y a moins de charges à séparer, la différence de potentiel est plus grande. Il est donc logique que le travail soit au numérateur de cette fraction et les charges au dénominateur. Il faut donc choisir la réponse (C). La différence de potentiel fournie par la pile est égale à la quantité de travail fournie, divisée par la quantité de charges séparées.

Terminons cette leçon en résumant quelques points clés. Dans cette vidéo, nous avons vu que la différence de potentiel électrique, parfois appelée différence de potentiel pour faire plus court, est égale au travail fourni pour séparer les charges électriques, divisé par la quantité de charges séparées. Et nous avons aussi vu que la différence de potentiel électrique aux bornes d’un composant d’un circuit fait circuler un courant dans ce composant. Enfin, nous avons vu que la différence de potentiel électrique est mesurée avec une unité appelée volt, dont le symbole est un V majuscule. Ceci est un résumé du cours sur la différence de potentiel électrique.