Vidéo de la leçon: La différence de potentiel électrique fournie par les piles Sciences

Transcription de la vidéo

Dans cette leçon, nous allons apprendre comment la différence de potentiel électrique d’une pile est causée par la séparation des charges à l’intérieur de la pile. Nous apprendrons ensuite comment calculer cette différence de potentiel électrique en fonction de la quantité de travail effectuée pour séparer ces charges.

Commençons par rappeler que, en ce qui concerne les charges électriques, deux objets ayant le même signe de charge électrique, positifs ou négatifs, se repousseront, tandis que deux objets de charges opposées, un négatif et un positif, s’attireront. En termes de forces, nous disons que la force électrique éloigne les mêmes charges et rapprochent les charges contraires.

Maintenant, réfléchissons à ce qui se passerait si nous voulions déplacer ces objets chargés. En particulier, réfléchissons à ce qui se passerait si nous voulions rapprocher deux objets avec une même charge. Puisqu’il existe déjà une force électrique qui sépare ces objets, essayer de les rapprocher les ferait se déplacer contre cette force. Cela nécessite donc de l’énergie. C‘est similaire à un ballon sur la surface de la terre. La force de gravité attire le ballon vers le bas. Donc, soulever le ballon de la surface de la Terre nécessite de l’énergie parce que nous le déplaçons contre la force de gravité.

En revanche, si nous lachons un ballon au-dessus de la surface de la Terre, le ballon tomberait naturellement directement vers le bas. En fait, cette situation consistant à soulever le ballon de la surface de la Terre est exactement analogue à deux objets avec une charge différente. Ces deux objets sont attirés l’un par l’autre, donc essayer de les séparer c’est les déplacer dans le sens inverse de la force électrique et cela nécessite donc de l’énergie. Ce que nous voyons, c’est que dans les deux cas, déplacer les objets dans le sens inverse de la force électrique nous oblige à apporter de l’énergie au système pour s’opposer à cette force.

Cette énergie est appelée le travail. En particulier, si une force agit sur un objet, alors la quantité de travail effectuée est la quantité d’énergie dépensée pour déplacer l’objet dans la direction opposée à la force ou la quantité de travail acquise pour déplacer l’objet dans la même direction que la force. Pour le reste de cette leçon, nous nous concentrerons principalement sur la séparation d’objets de charge opposée. Donc, nous nous focaliserons sur la séparation des charges qui demande du travail.

Non seulement il faut du travail pour séparer une charge positive et une charge négative en raison des forces d’attraction entre elles, mais la séparation de ces charges crée une différence de potentiel. Néanmoins, il s’avère que la différence de potentiel est étroitement liée à l’énergie d’un système. Comme nous le savons, la séparation des charges nécessite du travail. Le travail est une autre façon de penser à un changement d’énergie dans un système. Ainsi, parce que la séparation des charges nécessite à la fois du travail et crée une différence de potentiel, nous pouvons nous attendre à ce qu’il existe une relation entre le travail et la différence de potentiel.

En effet, il existe une telle relation. La différence de potentiel créée par la séparation des charges est exactement égale au travail effectué pour séparer les charges divisé par le montant total des charges qui ont été séparées. Comme formule, nous pouvons écrire 𝑉, la différence de potentiel, est égale à 𝑊, le travail effectué pour séparer les charges, divisé par 𝑄, la charge totale qui a été séparée. Les unités appropriées pour ces quantités sont les volts pour la différence de potentiel, les joules pour le travail et les coulombs pour la charge.

Nous sommes maintenant prêts à comprendre comment les piles obtiennent leur différence de potentiel à partir d’une séparation de charges et comment cette séparation de charges entraîne un courant dans le circuit. Nous allons commencer par un scénario simplifié et construire un circuit complet.

Nous avons deux boîtes identiques. Et à l’intérieur de chaque boîte se trouvent plusieurs atomes. Les noyaux chargés positivement des atomes sont représentés par de grands points rouges, et les électrons chargés négativement sont représentés par de petits points bleus. Au départ, les deux boîtes ont le même nombre d’atomes et donc la même quantité de charges positives et négatives. Puisque la charge nette dans chaque boîte est la même, il n’y a pas de séparation des charges et donc pas de différence de potentiel.

Passons maintenant des électrons de la boîte de gauche à la boîte de droite. Si la charge nette à l’intérieur des deux boîtes était initialement nulle, le déplacement de certains électrons de la gauche vers la droite entraîne une charge nette négative du côté droit et une charge positive nette du côté gauche. En d’autres termes, nous avons créé une séparation de charges entre les deux boîtes et donc une différence de potentiel entre elles. Ouvrons maintenant un chemin pour que les électrons puissent circuler librement entre ces deux boîtes.

Maintenant que les électrons peuvent circuler librement entre ces deux boîtes, la charge négative nette à l’intérieur de la boîte de droite aura tendance à rejeter les électrons, tandis que la charge positive nette à l’intérieur de la boîte de gauche aura tendance à attirer des électrons. Alors regardons ce qui se passe. Regardez ce qui se passe. ??? maybe take it off La séparation des charges entraîne des forces électriques qui tirent les électrons du côté avec une charge nette négative vers le côté avec une charge nette positive. Rappelez-vous, chaque fois qu’il y a une séparation des charges, il y a aussi une différence de potentiel. Du fait que cette différence de potentiel se traduit par des forces qui font bouger les électrons, nous l’appelons souvent la force électromotrice de la différence de potentiel. Nous abrégons souvent la force électromotrice en FEM. C’est un terme que nous utiliserons souvent pour parler de différence de potentiel dans les circuits.

En revenant à nos électrons en mouvement, si nous attendons assez longtemps, tous les électrons supplémentaires vont éventuellement se déplacer de la zone avec une charge nette négative vers la zone avec une charge nette positive. Lorsque cela se produit, les électrons cesseront de se déplacer entre les deux côtés car la charge sera équilibrée. En d’autres termes, il n’y a plus de séparation de charge entre ces deux boîtes.

Dans les circuits électroniques, le chemin des électrons dont nous avons parlé est souvent un simple fil métallique, qui est un conducteur et permet donc aux charges de circuler librement. Ce que nous avons appris, c’est que lorsque des charges peuvent être échangées entre les deux côtés d’une séparation de charges, par exemple, si ces deux côtés sont reliés par un conducteur, la séparation de charges sera finalement réduite à zéro et il n’y aura pas de plus de charges en mouvement. Nous avons maintenant tout ce dont nous avons besoin pour comprendre comment les piles et les batteries fournissent une force électromotrice dans les circuits électroniques.

Dans une pile ou une batterie, il y a des charges négatives supplémentaires à la borne négative et des charges positives supplémentaires à la borne positive. En d’autres termes, à l’intérieur d’une pile, il y a une séparation des charges. Nous pouvons le voir visuellement sur le schéma d’une pile à gauche et le symbole de circuit pour une pile que nous avons dessinée à droite. Comme nous l’avons vu, cette séparation des charges se traduit par une fem qui peut être calculée à partir du travail requis pour séparer les charges divisée par le montant total des charges séparées.

Au départ, les particules chargées sont maintenues séparées car elles ne peuvent pas se déplacer à l’intérieur de la pile. Cependant, lorsque nous connectons les deux côtés de la séparation de charges avec une série de conducteurs, que ce soit des fils ou d’autres composants de circuit, peu importe à quel point ce chemin est circulaire; la charge peut se déplacer d’un côté de la pile à l’autre. N’oubliez pas que le courant est un ensemble de charges qui se déplacent. Ainsi, le courant dans un circuit correspond aux charges d’un côté de la séparation de charges à l’intérieur de la pile se déplaçant de l’autre côté de la séparation de charges.

Quand l’une de ces charges, disons une charge négative, arrive au côté positif de la pile, une partie de la charge positive se combine avec cette charge négative pour former une unité électriquement neutre. Le résultat est une plus petite séparation de charges dans la pile. Or, une séparation de charges plus petite signifie globalement une diminution de la différence de potentiel électrique. Ainsi, chaque fois qu’il y a du courant dans le circuit, la séparation de charges à l’intérieur de la pile diminue au fil du temps et la fem de la pile diminue.

Enfin, nous savons que lorsque la charge passe d’une borne de la pile, traverse l’ampoule et va vers l’autre borne de la pile, l’ampoule s’allume. Nous sommes maintenant en mesure de comprendre la source de l’énergie nécessaire pour allumer cette ampoule. Rappelez-vous que pour créer la différence de potentiel initiale à l’intérieur de la pile, nous avons dû séparer les charges, ce qui demandait du travail, car nous devions dépenser de l’énergie pour déplacer les charges contre la force électronique qui les attirait. Mais parce que le travail séparer les charges initialement, lorsque les charges reviennent, elles peuvent fournirent un travail pour d’autres choses.

C’est exactement ce qui se passe dans notre circuit. Le travail effectué par les charges qui se rassemblent fournit l’énergie qui allume notre ampoule. En fait, nous pouvons penser aux circuits électroniques comme s’ils recyclaient le travail utilisé pour créer initialement la différence de potentiel de la pile en un travail nécessaire pour effectuer d’autres tâches utiles.

Maintenant que nous savons comment la différence de potentiel fournie par une pile est liée à la séparation des charges à l’intérieur de la pile, examinons quelques exemples.

La photo montre des électrons et des noyaux atomiques dans un morceau de matériau. Les électrons ne peuvent pas circuler dans le matériau. Les cercles bleus représentent les électrons et les cercles rouges représentent les noyaux atomiques. Première partie, à quelle extrémité du matériau se trouve une accumulation d’électrons. Deuxième partie, complétez l’espace vide. L’accumulation d’électrons à une extrémité du matériau crée ___ dans le morceau de matériau. a) Un courant électrique, b) une différence de potentiel électrique.

On nous dit que dans cette image ici, les cercles rouges représentent les noyaux atomiques et les cercles bleus représentent les électrons. Notre première tâche est de déterminer à quelle extrémité de ce matériau il y a une accumulation d’électrons. C’est-à-dire, quelle extrémité du matériau a plus d’électrons que l’autre. En regardant l’image, on peut voir qu’il y a beaucoup plus de cercles bleus à l’extrémité droite du matériau qu’à l’extrémité gauche. Mais puisque les cercles bleus représentent des électrons, nous pouvons voir qu’il y a une accumulation d’électrons à l’extrémité droite.

Pour répondre à la deuxième question, rappelons qu’une séparation des charges crée une différence de potentiel. Si on revient en arrière, comme il y a plus d’électrons qu’il n’y a de noyaux à l’extrémité droite, il y a une charge nette négative à cette extrémité. Et à l’extrémité gauche, il y a plus de noyaux qu’il n’y a d’électrons. Il y a donc une charge nette positive. Ainsi, l’accumulation d’électrons entraîne une séparation des charges, ce qui crée une différence de potentiel. La différence de potentiel électrique est la réponse que nous recherchons.

Nous savons également que notre autre choix, le courant électrique, ne peut pas être correct car, comme on nous dit, les électrons ne peuvent pas circuler le long de ce matériau. Par définition, un courant électrique est un flux de charges. Donc, comme les charges ne peuvent pas circuler, le courant électrique ne peut pas être la bonne réponse.

Dans cet exemple, nous avons utilisé notre compréhension qualitative de la relation entre la différence de potentiel et la séparation des charges. Dans notre prochain exemple, nous utiliserons notre compréhension quantitative de cette relation.

Une pile apporte 20 joules de travail pour séparer quatre coulombs de charge. Quelle différence de potentiel cela crée-t-il entre les bornes de la pile?

Cette question nous demande de calculer une différence de potentiel. Les informations qui nous sont données sont le travail qu’il a fallu pour séparer une quantité de charges. Étant donné ce que nous recherchons et ce avec quoi nous devons travailler, nous pouvons rappeler une formule qui relie ces trois quantités. La formule dont nous avons besoin nous dit que la différence de potentiel entre les bornes d’une pile est égale au travail effectué pour séparer la charge divisée par la quantité totale de charge qui a été séparée.

Lorsque nous remplaçons 20 joules au travail et quatre coulombs à la charge, nous constatons que la différence de potentiel est de 20 joules divisées par quatre coulombs. Pour déterminer la valeur de cette différence de potentiel, nous divisons d’abord 20 par quatre, ce qui est égal à cinq. Puis nous remarquons que les unités du numérateur sont des joules et les unités du dénominateur sont des coulombs. Chaque fois que nous avons un numérateur avec des unités de joules divisé par un dénominateur avec des unités de coulombs, les unités de la quantité finale sont des volts. La différence de potentiel que nous recherchons est donc de cinq volts.

Maintenant que nous avons travaillé sur quelques exemples, passons en revue ce que nous avons appris dans cette leçon. Nous avons d’abord appris que la séparation des charges crée une différence de potentiel. Quand il s’agit de la différence de potentiel d’une pile, nous l’appelons souvent la force électromotrice ou fem.

Nous avons également appris que lorsque les charges se déplacent librement le long des conducteurs, elles finissent par équilibrer toutes les séparations de charges et les réduisent à zéro. Cela explique également pourquoi les piles finissent par s’arrêter de fonctionner. Le courant dans un circuit alimenté par une pile est le flux de charge le long du circuit d’une borne de la pile à l’autre. Ce flux de charge réduit finalement la séparation des charges à l’intérieur de la pile à zéro. Quand il n’y a pas de séparation de charges à l’intérieur de la pile, il n’y a pas non plus de fem à fournir au circuit.

Enfin, nous avons appris à utiliser la formule 𝑉 est égal à 𝑊 divisé par 𝑄 pour calculer la différence de potentiel entre les bornes d’une pile à partir du travail effectué pour séparer les charges à l’intérieur de la pile et la quantité totale de charges qui ont été séparées.