Madame Lelica

Lorsqu’une charge positive libre q est accélérée par un champ électrique, tel que représenté sur la Figure 1, on lui donne de l’énergie cinétique. Le processus est analogue à un objet accéléré par un champ gravitationnel. C’est comme si la charge descendait une colline électrique où son énergie potentielle électrique est convertie en énergie cinétique., Explorons le travail effectué sur une charge q par le champ électrique dans ce processus, afin que nous puissions développer une définition de l’énergie potentielle électrique.

la force électrostatique ou coulombienne est conservatrice, ce qui signifie que le travail effectué sur q est indépendant du chemin emprunté. Ceci est exactement analogue à la force gravitationnelle en l’absence de forces dissipatives telles que le frottement., Lorsqu’une force est conservatrice, il est possible de définir une énergie potentielle associée à la force, et il est généralement plus facile de traiter l’énergie potentielle (car elle ne dépend que de la position) que de calculer le travail directement.

nous utilisons les lettres PE pour désigner l’énergie potentielle électrique, qui a des unités de joules (J). La variation d’énergie potentielle, ΔPE, est crucial, car le travail effectué par une force conservatrice est le négatif de la variation d’énergie potentielle; c’est, W = –ΔPE., Par exemple, le travail W effectué pour accélérer une charge positive du repos est positif et résulte d’une perte en PE, ou D’un ΔPE négatif. Il doit y avoir un signe moins devant ΔPE pour rendre W positif. PE peut être trouvé à n’importe quel point en prenant un point comme référence et en calculant le travail nécessaire pour déplacer une charge à l’autre point.

L’énergie potentielle gravitationnelle et l’énergie potentielle électrique sont assez analogues. L’énergie potentielle représente le travail effectué par une force conservatrice et donne un aperçu supplémentaire de l’énergie et de la transformation de l’énergie sans qu’il soit nécessaire de traiter directement avec la force. Il est beaucoup plus courant, par exemple, d’utiliser le concept de tension (lié à l’énergie potentielle électrique) que de traiter directement la force de Coulomb.,

calculer le travail directement est généralement difficile, car W = Fd cos θ et la direction et la magnitude de F peuvent être complexes pour des charges multiples, pour des objets de forme impaire et le long de chemins arbitraires. Mais nous savons que, puisque F = qE, le travail, et donc ΔPE, est proportionnel à la charge de test Q. pour avoir une grandeur physique indépendante de la charge de test, nous définissons le potentiel électrique V (ou simplement le potentiel, puisque l’on entend électrique) comme étant l’énergie potentielle Par unité de charge V=\frac{\text{PE}}{q}\\.,

Depuis le PE est proportionnelle à q , la dépendance sur q annule. Ainsi, V ne dépend pas de q., La variation de L’énergie potentielle ΔPE est cruciale, et nous nous préoccupons donc de la différence de potentiel ou de différence de potentiel ΔV entre deux points, où

\displaystyle\Delta{V}=V_{\text{B}}-V_{\text{A}}=\frac{\Delta{\text{PE}}}{q}\\

la différence de potentiel entre les points A et B, VB − VA, est ainsi définie comme étant la variation de l’énergie potentielle d’une charge q déplacée de A à B, divisée par la charge. Les unités de différence de potentiel sont des joules par coulomb, étant donné le nom volt (V) d’après Alessandro Volta.,

1\text{V}=1\frac{\text{J}}{\text{C}}\\

Le terme familier de tension est le nom commun pour une différence de potentiel. Gardez à l’esprit que chaque fois qu’une tension est citée, elle est comprise comme la différence de potentiel entre deux points. Par exemple, chaque batterie a deux bornes, et sa tension est la différence de potentiel entre elles. Plus fondamentalement, le point que vous choisissez d’être zéro volts est arbitraire. Ceci est analogue au fait que l’énergie potentielle gravitationnelle a un zéro arbitraire, comme le niveau de la mer ou peut-être un plancher de salle de conférence.,

la Tension n’est pas la même que l’énergie. La tension est l’énergie par unité de charge. Ainsi une batterie de moto et une batterie de voiture peuvent toutes deux avoir la même tension (plus précisément, la même différence de potentiel entre les bornes de la batterie), mais l’une stocke beaucoup plus d’énergie que l’autre puisque ΔPE = qΔV. La batterie de voiture peut déplacer plus de charge que la batterie de moto,bien que les deux soient des batteries 12 V.

Notez que les énergies calculées dans l’exemple précédent, sont des valeurs absolues. Le changement d’énergie potentielle pour la batterie est négatif, car elle perd de l’énergie., Ces batteries, comme de nombreux systèmes électriques, déplacent en fait des charges négatives—des électrons en particulier. Les batteries repoussent les électrons de leurs bornes négatives (A) à travers les circuits impliqués et les attirent vers leurs bornes positives (B) comme illustré à la Figure 2. Le changement de potentiel est ΔV = VB-VA = +12 V et la charge q est négative, de sorte que ΔPE = qΔV est négative, ce qui signifie que l’énergie potentielle de la batterie a diminué lorsque q est passé de A à B.

L’Électron-Volt

l’énergie par électron est très faible dans des situations macroscopiques comme celle de l’exemple précédent—une infime fraction de joule. Mais à l’échelle submicroscopique, une telle énergie par particule (électron, proton ou ion) peut être d’une grande importance., Par exemple, même une infime fraction de joule peut être suffisante pour que ces particules détruisent les molécules organiques et nuisent aux tissus vivants. La particule peut faire ses dommages par collision directe, ou elle peut créer des rayons X nocifs, qui peuvent également infliger des dommages. Il est utile d’avoir une unité d’énergie liée aux effets submicroscopiques. La Figure 3 montre une situation liée à la définition d’une unité d’énergie. Un électron est accéléré entre deux plaques métalliques chargées comme il pourrait l’être dans un tube de télévision ou un oscilloscope ancien modèle., L’électron reçoit de l’énergie cinétique qui est ensuite convertie en une autre forme—la lumière dans le tube de télévision, par exemple. (Notez que la descente pour l’électron est la montée pour une charge positive.) Puisque l’énergie est liée à la tension par ΔPE = qΔV, on peut considérer le joule comme un coulomb-volt.

à L’échelle submicroscopique, il est plus pratique de définir une unité d’énergie appelée Électron volt (eV), qui est l’énergie donnée à une charge fondamentale accélérée par une différence de potentiel de 1 V., Sous forme d’équation,

un électron accéléré par une différence de potentiel de 1 V reçoit une énergie de 1 eV. Il s’ensuit qu’un électron accéléré par 50 V est donné 50 eV. Une différence de potentiel de 100 000 V (100 kV) donnera à un électron une énergie de 100 000 eV (100 keV), et ainsi de suite. De même, un ion avec une double charge positive accélérée par 100 V recevra 200 eV d’énergie. Ces relations simples entre la tension d’accélération et les charges de particules font de l’Électron-volt une unité d’énergie simple et pratique dans de telles circonstances.,

l’Électron—volt est couramment utilisé dans les processus submicroscopiques-les énergies de valence chimique et les énergies de liaison moléculaire et nucléaire font partie des quantités souvent exprimées en Électron-volt. Par exemple, environ 5 eV d’énergie sont nécessaires pour briser certaines molécules organiques. Si un proton est accéléré à partir du repos par une différence de potentiel de 30 kV, on lui donne une énergie de 30 keV (30 000 eV) et il peut briser jusqu’à 6 000 de ces molécules (30 000 EV ÷ 5 eV par molécule= 6 000 molécules)., Les énergies de désintégration nucléaire sont de l’ordre de 1 MeV (1 000 000 eV) par événement et peuvent donc produire des dommages biologiques importants.

Conservation de L’énergie

l’énergie totale d’un système est conservée s’il n’y a pas d’addition nette (ou de soustraction) de travail ou de transfert de chaleur. Pour les forces conservatrices, telles que la force électrostatique, la conservation de l’énergie, l’énergie mécanique est constante.

l’énergie Mécanique est la somme de l’énergie cinétique et l’énergie potentielle d’un système; c’est, KE+PE = constante. Une perte de PE d’une particule chargée devient une augmentation de son KE., Ici PE est l’énergie potentielle électrique. La Conservation de l’énergie est exprimée sous forme d’équation comme ke + PE = constante ou KEi + PE i = KEf + PEf, où i et f représentent les conditions initiales et finales. Comme nous l’avons constaté à de nombreuses reprises auparavant, la prise en compte de l’énergie peut nous donner des idées et faciliter la résolution de problèmes.

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