Quest-ce quun “ volt ”?

Il ya une analogie étroite avec la gravité, peut-être que cela aidera à y jeter un œil.

Je peux définir une quantité $ X = gh $ (près de la surface de la terre) où $ g $ est laccélération due à la gravité et $ h $ est la hauteur au-dessus de la surface. Il est difficile de donner un sens intuitif à cette quantité. Mais si je multiplie par la masse dun objet à cette hauteur, je trouve $ U = mgh $, énergie. Nous pourrions donc dire que $ X $ représente un potentiel pour devenir énergie à ce stade.

De même, je peux définir une quantité $ V $. Il est difficile de donner un sens intuitif à cette quantité. Mais si je multiplie par la charge dun objet à cette position, je trouve $ U = qV $, énergie. Nous pourrions donc dire que $ V $ représente un potentiel pour devenir énergie à ce stade.

Il y a une chose malheureuse à surveiller. Le mot potentiel est utilisé dans deux concepts différents mais étroitement liés: potentiel électrique et énergie potentielle électrique . De même, nous pouvons avoir un potentiel gravitationnel et une énergie potentielle gravitationnelle . Je sais que quand jai commencé cela ma causé une certaine confusion.

Je reconnais que ce nest pas une réponse directe à « Quest-ce quun volt? », Mais le volt est une quantité abstraite. Nous le définissons comme un substitut pratique de lénergie; cela simplifie beaucoup danalyses. Ce nest pas une quantité directement physique comme la force ou la distance.

Commentaires

• Pourquoi ne pas simplement donner la définition de l’énergie potentielle au lieu de donner une analogie ? Je nai jamais compris comment comparer lélectromagnétisme à dautres choses pouvait être plus facile que dapprendre simplement lélectromagnétisme.
• @GennaroTedesco Je pense que lOP a essayé dapprendre lélectromagnétisme, et a atteint quelque chose que le raisonnement conventionnel ne permet pas ‘ t lui expliquer. Une analogie pourrait laider. Jadmets volontiers que cela na pas ‘ aider tout le monde. Le PO est un novice , et ‘ ne pense pas de la même manière que vous ou moi.

Soit $ \ mathbf {E} (\ mathbf {r}) $ le champ électrique: le travail effectué par le champ sur une charge unitaire $ q $ le long du chemin $ \ gamma $ est, par définition , $$ W _ {\ gamma} = \ int _ {\ gamma} \ textrm {d} \ mathbf {r} \ cdot \ mathbf {E} (\ mathbf {r}).$$ Si le travail effectué par le champ ne dépend pas du chemin $ \ gamma $ mais seulement de ses limites, nous disons que le champ est conservateur et exprimons le travail associé effectué comme différence dune fonction calculée sur les limites, à savoir $$ W _ {\ gamma} = V (A) – V (B) = \ int _ {\ gamma} \ textrm {d} \ mathbf {r} \ cdot \ mathbf {E} _ {\ textrm {cons}} ( \ mathbf {r}) $$ pour les champs conservateurs $ \ mathbf {E} _ {\ textrm {cons}} (\ mathbf {r}) $. En calculant ce qui précède le long de nimporte quel chemin $ \ gamma $ marchant par nimporte quel point de lespace, on définit la fonction $ V (x) $, appelée énergie potentielle du champ.

Prenons le cas particulier dun champ électrique à constante conservatrice . Le travail associé effectué le long dun chemin $ \ gamma $ sexprime donc par la différence de potentiel $$ V (A) – V (B) = | \ textrm {E} | \, \ Delta r. $$ On appelle différence de potentiel de 1 Volt le travail effectué par le champ ci-dessus du module 1 N / C $ pour déplacer une charge unitaire de 1 m.

Volts ou tension est la quantité dénergie potentielle des électrons par rapport à un autre point, généralement ce quon appelle « masse », qui est défini comme ayant un potentiel de 0 V. Dans certains appareils, cela est lié au courant par ce quon appelle la résistance (mesurée en ohms), qui est le rapport de la tension au courant dans ledit appareil. Plus précisément, la tension est la quantité dénergie par coulomb de charge, donc les volts ont la dimension de Joules par Coulomb. Si vous voulez une analogie du monde réel, une comparaison décente (pas la meilleure, mais décente) que jaime utiliser est lanalogie de leau dans les tuyaux. Le courant est littéralement la quantité deau qui coule dans le tuyau. Plus deau signifie plus de molécules deau qui circulent, ce qui est analogue à lélectricité circulant à travers un fil. La tension, par contre, peut être pensée en termes de chute deau: leau qui tombe dune haute cascade a plus dénergie potentielle que leau qui tombe, par exemple, sur le bord dun petit rocher à la base de la cascade. Ici encore, nous mesurons le potentiel par rapport au sol.

Donc, un volt est la « pression » dans le fil. Plus il y a de volts, plus il y a de potentiel de mouvement. Donc, si vous augmentez la tension de quelque chose, le courant ou la vitesse du mouvement dénergie augmente parce que plus dénergie passe par le même fil.

Bob a un contrôleur de tension et plus il appuie fort sur le bouton, plus il y a de volts qui circulent à travers le circuit dans lampoule. Au début, il appuie doucement et lampoule est faiblement allumée. Finalement, il appuie plus fort et comme il y a plus de volts dans le fil, le courant se déplace plus rapidement, donc lampoule devient plus lumineuse. Il arrête alors dappuyer et comme il ny a pas de volts dans le circuit, il ny a pas de pression, la lumière séteint. Il claque ensuite le bouton avec un marteau et tant de volts traversent le cirque que les fils sont surchargés. Comme si vous raccordez une énorme pompe à eau à un petit tuyau, le tuyau se cassera parce que la pression de leau est trop élevée.

Une autre analogie que vous pourriez utiliser (celle-ci a du sens)

La tension (V) est le potentiel de lénergie à se déplacer et équivaut à la pression de leau. Le courant (I) est un débit et est mesuré en ampères. Ohms (r) est une mesure de résistance et équivaut à la taille de la conduite deau. Ces trois termes sont liés les uns aux autres avec une formule simple qui lit, le courant est égal à la tension divisée par la résistance. I = V / r Imaginez que vous avez un réservoir deau avec un tuyau connecté au fond de ce réservoir. Que se passe-t-il si vous augmentez la pression à lintérieur de ce réservoir? La quantité deau qui sécoule du tuyau augmentera également. La même chose est vraie lorsque vous augmentez la tension, plus de courant circulera. Que se passe-t-il si vous connectez un tuyau de plus grand diamètre à ce réservoir? Le débit augmentera également car la résistance a chuté. La même chose est vraie si vous utilisez un fil de gros calibre lors du déplacement du courant. Plus le fil est gros, plus vous pouvez le traverser en courant, ce qui endommage le fil.

Jespère que cela a du sens, bonne chance pour le test;)

Par définition, un volt est un joule par coloumb:

$$ V \ equiv \ frac {J} {C} $$

Cela découle de la définition du potentiel électrique: la quantité dénergie potentielle par unité de charge dans un circuit ou un système. Pour donner une analogie, le potentiel électrique est à lélectricité comme la hauteur / distance (essentiellement le potentiel gravitationnel) est à la gravité.

La différence de potentiel électrique, plus communément appelée tension $ \ Delta V $, détermine le courant $ I $ dans un circuit avec une certaine résistance $ R $. Ceci est connu sous le nom de loi dOhm et est donné par léquation $ \ Delta V = IR $.

Beaucoup de gens disent que cest une « pression électrique » mais personnellement je naime pas cette analogie. Je préfère lanalogie à la gravité. Pensez à une balle roulant sur une colline. Pourquoi ne roule-t-il pas sur la colline?

La balle se déplace pour minimiser son énergie potentielle, étant accélérée par la force gravitationnelle conservatrice de la Terre. Le bas de la colline est le plus proche du centre de la Terre, la hauteur la plus basse possible, et donc la plus basse gravitation.

De même, cela est vrai pour les charges électriques. Le potentiel électrique le plus bas correspond à lemplacement de lénergie potentielle minimale pour les charges positives *, et les particules dans un champ conservateur se déplacent vers lemplacement de lénergie potentielle la plus basse. En se déplaçant à cette position, vous avez le courant conformément à la loi dOhm.

* Pour les charges négatives, lénergie potentielle la plus basse correspond au potentiel électrique le plus élevé. Les électrons se déplacent dans la direction du potentiel électrique croissant .

Commentaires

•  » La balle veut être dans son état dénergie le plus bas  » – ugh …
• @AlfredCentauri Voulez-vous élaborer? Je veux être plus précis si vous pouvez fournir plus de commentaires –  » ugh  » isn ‘ t très utile. Je pourrais plutôt dire que la boule  » se déplace pour minimiser son énergie potentielle, cest-à-dire vers létat fondamental, où elle est la plus stable.  » Cest ‘ une phrase difficile à utiliser, sans parler de mon utilisation  » artistique  » de personnification.
• zhutchens1, dois-je vraiment élaborer? Est la meilleure réponse, au niveau des étudiants sérieux en physique, à la question  » Pourquoi [la balle] ne roule-t-elle pas sur la colline  » vraiment que ‘ la balle ne ‘ ne veut pas ‘? Daprès votre commentaire, je vois que vous ne ‘ probablement pas. Agissez en conséquence.
• @AlfredCentauri Merci. Jai modifié ma réponse pour être un peu plus précis. Bien que je puisse affirmer qu’un  » étudiant sérieux en physique  » trouvera la définition du potentiel électrique et ses unités comme des connaissances de base / fondamentales .

Nous avons ici un tas de particules chargées positivement (colorées en noir) et de particules chargées négativement ( de couleur blanche):

Supposons maintenant que nous lâchions une particule chargée négativement au point A. Elle va essayer de se déplacer vers la gauche, car elle est attirée par toutes ces charges positives à gauche et repoussées par les charges négatives à droite. (Il y a aussi une charge négative sur la gauche, mais cest plus quéquilibré par tous les aspects positifs.)

Supposons que vous vouliez déplacer cette particule du point A au point B. Ensuite, vous  » va devoir pousser contre toute cette force électrique, il faudra donc de l’énergie pour déplacer cette charge de A à B.

La tension entre les points A et B est la quantité dénergie dont vous aurez besoin pour cela – cest-à-dire la quantité dénergie nécessaire pour déplacer votre charge négative de A à B, en surmontant les forces électriques en cours de route.

Supposons que la tension soit, disons, 3. Une façon dexprimer cest-à-dire que la tension à A est 1 et la tension à B est 4. Ou vous pouvez dire que la tension à A est 6 et le la tension en B est de 9. Ou que la tension en A est de -2 $ et la tension en B est de $ + 1 $. Vous pouvez choisir un nombre parfaitement arbitraire à attribuer au point $ A $, tant que vous attribuez ce nombre plus 3 au point $ B $.

Alors allons-y et disons (arbitrairement) que le la tension à $ A $ est de 2 $ et la tension à $ B $ est de 5 $. Encore une fois, tout ce que nous entendons par là est quil faut 3 unités dénergie pour déplacer une unité de charge de $ A $ à $ B $.

Supposons maintenant quil y ait un autre point $ C $, et supposons quil faut 7 unités dénergie pour déplacer une unité de charge de $ A $ à $ C $. Autrement dit, la tension de $ A $ à $ C $ est de 7 $. Puis, puisque nous avons déjà décidé dappeler la tension $ 2 $ au point $ A $, nous devons lappeler $ 9 $ au point $ C $.

Maintenant: combien dénergie faut-il pour déplacer une unité de charge de $ B $ à $ C $? Eh bien, le nombre que nous avons attribué à $ B $ — la tension à $ B $ — est de 5 $ $. Et la tension à $ C $ est de 9 $. Par conséquent, nous prévoyons quil faudra 9-5 $ = 4 $ unités dénergie pour déplacer une unité de charge de $ B $ à $ C $. Et il savère, empiriquement, que si vous faites des prédictions de cette façon, vous avez toujours raison.

Donc en résumé: la tension entre $ A $ et $ B $ est lénergie nécessaire pour déplacer une charge unitaire de $ A $ à $ B $. La tension à $ A $ est nimporte quel nombre que vous souhaitez composer — vous pouvez lappeler $ 2 $ ou $ – 100 $ ou 3,14159 $. Une fois que vous avez fait ce nombre, la tension à $ B $ ou $ C $ ou $ D $, moins la tension à $ A $, est lénergie nécessaire pour déplacer une charge unitaire de $ A $ à $ B $ ou $ C $ ou $ D $.Et — miraculeusement — une fois que vous attribuez des numéros de cette façon, vous pouvez également les utiliser pour déterminer la quantité dénergie nécessaire pour déplacer une charge unitaire de $ B $ à $ C $ ou de $ B $ à $ D $ ou de $ D $ à $ C $, simplement en prenant les différences.

Si vous naimez pas la pression analogie, je suppose que vous naimeriez pas cette illustration: Quelquun pourrait-il mexpliquer intuitivement la loi de Ohm ‘? . Mais cela vaut la peine dessayer dy jeter un œil.

En dehors de cela, la tension $ V $ (avec lunité de volts $ \ mathrm V $) est juste de lénergie par charge, ce qui signifie Joules par Coulomb :

$$ \ mathrm {[V] = \ left [\ frac JC \ right]} $$

En dautres termes, la tension est la quantité dénergie ( énergie électrique potentielle , comme on lappelle) stockée en un point du circuit par unité de charge .

Si un point du circuit stocke plus de cette énergie quun autre, alors les charges se déplaceront vers lautre point. La charge voudra toujours être à un endroit avec la plus faible énergie possible.

• Tout comme un ressort, qui peut stocker de lénergie lorsquil est étiré, qui essaiera toujours de revenir sans étirer (le plus bas -énergie).

Et cest pourquoi les gens utilisent lanalogie de la « pression de leau ». Parce que la différence dénergie entre deux points est ce qui fait passer la charge dun point à un autre – comme sil y avait une plus grande « pression » sur eux à un point « les poussant » vers lautre point.

Plus en profondeur

La raison en est que lénergie électrique potentielle est « stockée » lorsque plus de charges (du même signe) sont rassemblées.

• Un électron seul ne cause aucune énergie potentielle,
• mais ajoutez deux électrons au même point dans le circuit, et ils se repousseront. Comme un ressort qui est comprimé. Si vous les lâchez, ils séloignent lun de lautre .

Cette « énergie emmagasinée » provient du fait quils se repoussent et Jai des endroits proches dans le circuit doù ils sont moins repoussés – donc ils sy déplaceront naturellement. Cela réduira lénergie potentielle de ce système – atteindre une configuration dénergie la plus basse est pour cette raison le but de tout système dénergie potentielle.

Donc, dans lensemble, le volt est simplement lénergie par charge en un point, et elle peut être comparée à dautres points du circuit afin de savoir si la charge veut sy déplacer ou non.

Commentaires

• Veuillez noter que le concept de tension est indépendant du concept de circuit et de courant circulant dans un circuit.