Potentiel électrique - Définition et Explications

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Le potentiel électrique est l'une des grandeurs définissant l'état électrique d'un point de l'espace. Son unité est le volt.

Analogie

On observe un courant d'eau dans une rivière:
C'est la différence d'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau...) entre deux points du lit de la rivière :

G(a,b)=Z(a)-Z(b) \,

qui fait qu'un courant existe entre ces deux points. L'altitude Z est un potentiel gravitationnel (on connaît l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) potentielle liée à l'altitude).

D'où l'analogie entre la dénivellation géographique et la différence de potentiel électrique (Le potentiel électrique est l'une des grandeurs définissant l'état électrique d'un point de...) appelée également tension (La tension est une force d'extension.) et notée U.

La différence de potentiel ou tension est une valeur algébrique pouvant être positive, négative ou nulle. On la représente sur les schémas électriques par une flèche allant d'un point (Graphie) B vers un point A lorsqu'on veut représenter le potentiel du point A par rapport à celui du point B.

U(a,b)=V(a)-V(b) \,.

Mesure

Sa mesure s'effectue en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) comme en biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant....) grâce à un voltmètre ou d'un oscilloscope qui sont toujours placés en dérivation ou parallèle, par rapport au circuit ou à l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) bipolaire à mesurer.

Le potentiel est toujours défini à une constante près. En électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...) il est fréquent que l'on prenne comme référence des potentiels (le potentiel qui sert de zéro) le potentiel de la terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) (que l'on abrège par terre) mais cela n'est pas une obligation. Quel que soit le choix opéré, le point de référence dans le circuit dont le potentiel est fixé à 0 volt et il est appelé point froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.). Selon les dispositifs il peut être relié soit à la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) (carcasse métallique du dispositif), soit à la terre, soit au deux.

Pour des explications plus pratiques concernant la notion de potentiel électrique, on se référera à l'article tension.

Formules

Le potentiel électrique en un point de l'espace est un concept du domaine de l'électricité. Il est défini à partir de la distribution des charges électriques dans l'espace à l'aide de l'application de la loi de Coulomb (En physique, il existe deux lois de Coulomb, nommées en l'honneur du physicien français Charles...) à une distribution volumique de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) et en utilisant le principe de superposition :

V_1(x_2,y_2,z_2) = \frac{1}{4 \pi \epsilon_o}\int \int\int\frac{\rho(x_1,y_1,z_1)}{ r_{12}} dx_1dy_1dz_1

où :\vec{r}_{12}= \vec{r}_2-\vec{r}_1 et où \rho \, est la densité de charge (La densité de charge électrique correspond au rapport de la charge sur le volume. Elle peut être...) en 1 (autour du point 1 il y a une charge \rho dx_1dy_1dz_1 \,dans le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) dv = dx_1dy_1dz_1 \,)

Le champ électrique (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules...) qui dérive de ce potentiel est alors donné par la formule suivante :

\vec{E}_1(x_2,y_2,z_2) = \frac{1}{4 \pi \epsilon_o}\int \int\int\frac{\rho(x_1,y_1,z_1)\vec{r}_{12}}{  r_{12}^3} dx_1dy_1dz_1

Inversement, la connaissance du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) électrique en un point permet le calcul du potentiel dont il découle :

V = - \int_s \vec{E} \cdot \vec{d\,\mathbf{l}}

V \, est le potentiel électrique, et dl \,est l'élément d'intégration.

\vec {E} = -\vec{\nabla}V = -\frac {\partial V}{\partial x} \vec{i}-\frac {\partial V}{\partial y} \vec{j}-\frac {\partial V}{\partial z} \vec{k}

Cas particulier

Le potentiel électrique crée par une charge ponctuelle dans l'espace qui l'environne est :

V = \frac{q}{ 4 \pi \epsilon_o \left| \vec{r} - \vec{r}_q \right|}

q est la charge ponctuelle, r est le vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet...) de position du point où l'on calcule le champs et rq est le vecteur position de la charge pontuelle.

Comme mathématiquement :

\vec{grad}(\frac{1}{\left|\vec{r}\right|}) =\vec\nabla (\frac{1}{\left|\vec{r}\right|}) = -\frac{\vec{r}}{\left|\vec{r}\right|^3} \;
\phi V  =\frac {1}{4 \pi \epsilon_o} \int  \frac {\rho}{r} d\,V

\rho \, est la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) de charge en fonction de la position et r est la distance de l'élément de volume dV.

Notez que V est un scalaire (Un vrai scalaire est un nombre qui est indépendant du choix de la base choisie pour exprimer les...) .

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