Énergie potentielle d'une charge dans un champ électrique uniforme

طاقة الوضع الكهرساكنة لشحنة في مجال كهربائي منتظم

Cours complet inclus 10 exercices interactifs Fiche PDF Partager

Cours complet

Contenu du cours

Travail de la force électrique sur deux chemins différents dans un champ uniformeEntre deux plaques parallèles chargées créant un champ électrique uniforme dirigé de haut en bas, une charge se déplace du point A au point B par deux trajets différents : un trajet direct en ligne droite et un trajet en deux segments perpendiculaires. La distance d, mesurée le long de la direction du champ entre les deux points, est cotée. Un encadré indique que le travail vaut q fois E fois d dans les deux cas : il ne dépend pas du chemin suivi, ce qui traduit le caractère conservatif de la force électrique.Une charge qui se déplace dans un champ uniforme : le travail ne dépend pas du cheminSeul le déplacement le long du champ compte, exactement comme pour le poids+EABchemin 1chemin 2dW = q·E·didentiquepour les deuxcheminsEₚ = q·E·x+ constanteLe travail de la force électrique ne dépend que de la distance parcourue le long du champ (d),jamais du trajet suivi : la force électrique est conservative, comme le poids.
Le travail de la force électrique ne dépend que du déplacement le long du champ : , identique quel que soit le chemin. C'est ce qui permet de définir une énergie potentielle électrique.

1. Rappel : le champ électrique uniforme

Entre deux plaques planes et parallèles portant des charges opposées, séparées par une distance et soumises à une tension , il règne un champ électrique uniforme , orienté de la plaque positive vers la plaque négative. Sa norme est donnée par , exprimée en volts par mètre (V/m). Ce champ est identique en tout point de l'espace entre les plaques : même direction, même sens, même norme.

2. Force électrique exercée sur une charge

Une charge ponctuelle placée dans ce champ subit une force électrique . Si , la force est dans le sens du champ ; si , elle est de sens opposé. Cette force reste constante en tout point du champ uniforme (même direction, sens et intensité), ce qui simplifie l'étude du mouvement de la charge.

3. Travail de la force électrique

Lorsque la charge se déplace d'un point vers un point , le travail de la force électrique s'écrit , où est la distance algébrique parcourue le long de la direction du champ. On montre que ce travail ne dépend pas du chemin suivi mais uniquement des positions initiale et finale : . La force électrique est donc une force conservative.

4. Énergie potentielle électrique

À chaque point du champ, où règne un potentiel , on associe à la charge une énergie potentielle électrique , exprimée en joules (J). Cette énergie traduit la capacité du système « charge + champ » à fournir un travail lors d'un déplacement.

5. Relation entre travail et variation d'énergie potentielle

Le travail de la force électrique entre et est relié à la variation d'énergie potentielle par . Ainsi, quand la charge se déplace spontanément sous l'effet de la force électrique (travail moteur positif), son énergie potentielle diminue : elle se transforme en énergie cinétique.

6. Théorème de l'énergie cinétique appliqué

Pour une particule chargée de masse se déplaçant de vers sous l'action de la force électrique (le poids étant en général négligeable devant la force électrique pour un électron ou un proton), le théorème de l'énergie cinétique donne : , avec . Ce théorème permet de déterminer la vitesse finale d'une particule accélérée entre deux plaques.

7. Conservation de l'énergie mécanique

En l'absence de frottements, l'énergie mécanique du système se conserve au cours du mouvement : . Toute perte d'énergie potentielle électrique se traduit exactement par un gain équivalent d'énergie cinétique.

8. Unité pratique : l'électron-volt

À l'échelle des particules chargées, le joule est une unité peu commode. On utilise l'électron-volt (eV), énergie acquise par une charge élémentaire accélérée sous une tension de 1 V : . Cette unité facilite grandement les calculs d'énergie cinétique des électrons ou protons accélérés.

📈 Figure clé

Exemple résolu 1 : Accélération d'un électron dans un tube cathodique

Un électron pénètre sans vitesse initiale en un point d'un champ électrique uniforme créé entre deux plaques planes parallèles soumises à une tension accélératrice . On donne et .

Travail de la force électrique : l'électron étant accéléré, le travail moteur vaut (soit ).

Vitesse en B : d'après le théorème de l'énergie cinétique, , donc .

Vérification : , cohérent avec .

Exemple résolu 2 : Proton accéléré et calcul du champ et de la force

Un proton, initialement au repos en , est accéléré vers sous une tension entre deux plaques distantes de . On donne et .

Champ électrique : .

Force électrique : .

Travail et vitesse finale : (). D'où .

🔑 Formules clés à retenir

الصيغ الأساسية

  • حقل كهربائي منتظم : ( بـ V/m، بـ V، بـ m)
  • القوة الكهربائية : (بـ N، مع بـ C و بـ V/m)
  • منظم القوة الكهربائية : (N)
  • شغل القوة الكهربائية : (J)
  • الطاقة الوضعية الكهربائية : (J، معرفة بمقدار ثابت جمعي)
  • العلاقة بين الشغل والطاقة الوضعية :
  • الطاقة الحركية : (J، مع بـ kg و بـ m/s)
  • مبرهنة الطاقة الحركية :
  • حالة شحنة مسرَّعة بين لبوسين :
  • السرعة النهائية إذا كانت : (m/s)
  • الطاقة الميكانيكية : = مقدار ثابت عند انعدام الاحتكاك (J)
  • الشحنة الأولية :
  • تحويل الإلكترون-فولط :
⚠️

Astuces & Pièges à éviter

Les erreurs classiques — à lire avant les exercices !

الأخطاء الشائعة الواجب تفاديها

  • الخلط بين و : . وأي عكس لترتيب النقطتين يغير إشارة الشغل ومن ثم كل التأويل الفيزيائي.
  • نسيان إشارة الشحنة : الإلكترون يحمل . ولكي يتسارع من إلى ، يجب أن يكون ، أي (بمعنى )، خلافا للبروتون الذي يحتاج إلى .
  • الخلط بين الجول والإلكترون-فولط : حول دائما بالمعامل قبل جمع أو مقارنة طاقات معبر عنها بوحدات مختلفة.
  • الإهمال دون تبرير : وزن إلكترون أو بروتون مهمل دائما تقريبا أمام القوة الكهربائية، لكن يجب التحقق من هذه الفرضية أو التسليم بها صراحة في الورقة، لا مجرد إغفالها.
  • الخلط بين المسافة المقطوعة والمسافة الجبرية : في ، هي المسافة الجبرية المقيسة على امتداد ، وليست بالضرورة الطول الكلي للمسار إذا لم يكن مستقيميا في اتجاه الحقل.
  • نسيان أن معرفة بمقدار ثابت جمعي : فالتغير بين نقطتين هو وحده الذي له معنى فيزيائي ؛ أما قيمة في نقطة معزولة فتتعلق باختيار مرجع الجهد.

أسئلة شائعة

كم تمرينًا مصحّحًا في درس «طاقة الوضع الكهرساكنة لشحنة في مجال كهربائي منتظم» ؟ +

يتوفّر 10 تمرينًا مصحّحًا مرتّبة حسب الصعوبة مع التصحيح المفصّل، مجّانًا على أطلس ماث.

كيف أراجع درس «طاقة الوضع الكهرساكنة لشحنة في مجال كهربائي منتظم» في 1ère Bac ؟ +

ابدأ بملخّص الدرس والصيغ الأساسية، ثم أنجز التمارين المصحّحة، وأنهِ بامتحان تجريبي محدّد بالوقت.

هل درس «طاقة الوضع الكهرساكنة لشحنة في مجال كهربائي منتظم» مقرّر في الامتحان الوطني ؟ +

نعم، هذا الدرس جزء من المقرّر الرسمي لـ1ère Bac بالمغرب ويظهر بانتظام في الامتحانات الوطنية.

لمزيد من المراجعة