Voici trois exemples de problèmes sur la différence

Lorsque tu utilises ton baladeur ou ton lecteur de disques compacts portatif, tu dois avoir
des piles pour qu'ils fonctionnent. Sans piles, ces équipements ne fonctionneraient pas.
Pourquoi les piles sont-elles si essentielles et quel est leur rôle? Pour répondre à ces
questions, tu auras besoin de connaître le concept de différence de potentiel.
Pour commencer, retournons à l'analogie des interactions entre des masses.
Tu sais que la Terre est entourée d’un champ gravitationnel et que ce champ crée une force
gravitationnelle sur tous les objets qui se trouvent dans ce champ. Dans le diagramme ci-dessous,
la goutte d’eau dans le contenant accroché à l’arbre tombe à cause du champ gravitationnel de la
Terre qui exerce une force gravitationnelle sur celle-ci. L’énergie potentielle gravitationnelle de
la goutte se transforme en énergie cinétique lors de son déplacement.
Pour que la goutte revienne à son point de départ, elle doit surmonter la force gravitationnelle. On
doit nécessairement, la soumettre à un certain travail qui lui permettra de s’éloigner de la Terre et,
par le fait même, d’acquérir l’énergie potentielle gravitationnelle qu’elle avait au départ. Dans le
diagramme ci-dessous, on utilise une pompe pour redonner l’énergie potentielle gravitationnelle à
l’eau.
Revenons à nos charges et utilisons le même raisonnement.
Prenons par exemple une charge positive au lieu de la Terre et
une charge négative pour la goutte d’eau. Tout comme la
Terre, la charge positive possède un champ électrique tout
autour d’elle. Ce champ affectera la charge négative qui sera
affectée par ce champ et sera attirée par la charge positive
grâce à la force électrique. Toute l’énergie qu’elle possédait
au départ, c’est-à-dire l’énergie potentielle électrique, s’est
transformée en énergie cinétique.
Tout comme la goutte d’eau, si nous voulons qu'une balle
revienne à son point de départ, nous devons effectuer un
travail sur celle-ci pour qu’elle puisse surmonter la force
électrique. Par le fait même, la charge négative regagnera
l'énergie potentielle électrique qu’elle avait perdue.
Dans l’exemple de la goutte d’eau, une pompe permettait à l’eau d’acquérir une énergie
potentielle gravitationnelle. De même, de nombreux appareils nous permettent d'appliquer
ce même principe avec des charges. La pile voltaïque, la pile sèche et les génératrices
sont des exemples d’appareils capables de produire des charges ayant une énergie
potentielle électrique lorsqu'on effectue sur eux un travail en présence d’un champ
électrique.
Le potentiel électrique d’une charge q à une distance r d’une charge ponctuelle est donné
par
L’unité du potentiel électrique est le joule par coulomb ou le volt, en l’honneur
de l’inventeur de la première pile électrique, Alessandro Volta.
En général, on veut plus souvent connaître le travail nécessaire pour déplacer une charge entre
deux points du champ plutôt qu’à un point en particulier. Ce travail nécessaire est communément
appelé différence de potentiel électrique et est noté par ΔV . Un autre terme est aussi
fréquemment utilisé : tension. Rappelle-toi que ces deux mots signifient la même chose.
Analysons maintenant cette différence de potentiel. Soit A et B, deux points d’un champ
électrique, et q une charge positive se déplaçant de A vers B en utilisant la trajectoire qu’elle veut,
la différence de potentiel est :
À titre d'exemple de ce type de calcul, considérons le champ électrique entre deux longues
plaques parallèles, de charges opposées et proches l’une de l’autre. Le champ électrique sera
toujours constant et se déplacera du positif au négatif comme tu l'as vu dans la leçon 4.
L’augmentation d’énergie potentielle électrique de la charge q se déplaçant de la plaque B à la
plaque A est égale au travail fait pour la déplacer de A à B. Pour ce faire, il faut appliquer une
force F égale en grandeur, mais opposée à Fe, sur une distance r.
Étudie l'animation suivante et tu comprendras
que lorsque la distance entre les plaques diminue
(d), le champ électrique (E) augmente et viceversa. Bien entendu, la différence de potentiel
reste constante.
Lorsqu’une particule chargée se déplace dans un champ électrique créé par deux plaques
parallèles, l’énergie potentielle électrique que la particule perd est égale à l’énergie cinétique
qu’elle gagne en raison de la conservation de l’énergie qui s’applique également à de petites
particules.
Voir des exemples d’exercices et faire des exercices:
Voici trois exemples de problèmes sur la différence de potentiel et le courant.
1. Le champ électrique entre deux plaques parallèles chargées est de 4,5 x 103 N/C. Quelle est
la différence de potentiel entre les plaques si la distance entre celles-ci est de 10 cm?
2. Deux plaques de métal sont séparées par une distance de 40 cm. Elles sont reliées à une
batterie afin de créer un champ électrique de 45 N/C. Un électron est placé à proximité de
la plaque portant la charge négative. Quelle est la vitesse d’impact de l’électron lorsqu’il se
heurte à la plaque portant la charge positive?
3. Un électron entre à une vitesse de 35,6 m/s dans un champ électrique créé par deux plaques
parallèles, comme le montre le diagramme suivant. Si la différence de potentiel entre les plaques
est de 280 V, quelle est la vitesse de l'électron lorsqu'il entre en contact avec la plaque positive?
4. Le phare d’une voiture fonctionne avec une puissance d’entrée de 75,0 W et utilise un
courant de 6,25 A. Quelle est l’énergie consommée par le phare pendant une heure de
fonctionnement?