- Propriétés
- Unités de charge électrique
- Loi de Coulomb pour les charges ponctuelles
- Application de la loi de Coulomb
- Gravité et électricité
- Références
Une charge ponctuelle, dans le contexte de l'électromagnétisme, est cette charge électrique de si petites dimensions qu'elle peut être considérée comme un point. Par exemple, les particules élémentaires qui ont une charge électrique, le proton et l'électron, sont si petites que leurs dimensions peuvent être omises dans de nombreuses applications. Considérer qu'une charge est orientée ponctuellement facilite grandement le calcul de ses interactions et la compréhension des propriétés électriques de la matière.
Les particules élémentaires ne sont pas les seules à pouvoir être des charges ponctuelles. Il peut également s'agir de molécules ionisées, des sphères chargées que Charles A. Coulomb (1736-1806) a utilisées dans ses expériences et même de la Terre elle-même. Tous peuvent être considérés comme des charges ponctuelles, tant que nous les voyons à des distances bien supérieures à la taille de l'objet.
Figure 1. Les charges ponctuelles du même signe se repoussent, tandis que celles du signe opposé s'attirent. Source: Wikimedia Commons.
Puisque tous les corps sont constitués de particules élémentaires, la charge électrique est une propriété inhérente à la matière, tout comme la masse. Vous ne pouvez pas avoir un électron sans masse, et pas non plus sans charge.
Propriétés
À notre connaissance aujourd'hui, il existe deux types de charges électriques: positive et négative. Les électrons ont une charge négative, tandis que les protons ont une charge positive.
Les charges du même signe repoussent, tandis que celles du signe opposé s'attirent. Ceci est valable pour tout type de charge électrique, ponctuelle ou répartie sur un objet de dimensions mesurables.
En outre, des expériences minutieuses ont montré que la charge sur le proton et l'électron ont exactement la même magnitude.
Un autre point très important à considérer est que la charge électrique est quantifiée. À ce jour, aucune charge électrique isolée d'une magnitude inférieure à la charge de l'électron n'a été trouvée. Ils sont tous des multiples de cela.
Enfin, la charge électrique est conservée. En d'autres termes, la charge électrique n'est ni créée ni détruite, mais elle peut être transférée d'un objet à un autre. De cette manière, si le système est isolé, la charge totale reste constante.
Unités de charge électrique
L'unité de charge électrique dans le Système international d'unités (SI) est le Coulomb, abrégé par un C majuscule, en l'honneur de Charles A. Coulomb (1736-1806), qui a découvert la loi qui porte son nom et décrit l'interaction entre deux charges ponctuelles. Nous en reparlerons plus tard.
La charge électrique de l'électron, qui est la plus petite possible qui puisse être isolée dans la nature, a une magnitude de:
Le Coulomb est une unité assez grande, donc des sous-multiples sont souvent utilisés:
Et comme nous l'avons mentionné précédemment, le signe de e - est négatif. La charge sur le proton a exactement la même magnitude, mais avec un signe positif.
Les signes sont une question de convention, c'est-à-dire qu'il existe deux types d'électricité et qu'il est nécessaire de les distinguer, donc l'un se voit attribuer un signe (-) et l'autre signe (+). Benjamin Franklin a fait cette désignation et a également énoncé le principe de la conservation de la charge.
À l'époque de Franklin, la structure interne de l'atome était encore inconnue, mais Franklin avait observé qu'une tige de verre frottée avec de la soie se chargeait électriquement, appelant ce type d'électricité positive.
Tout objet attiré par ladite électricité avait un signe négatif. Après la découverte de l'électron, il a été observé que la tige de verre chargée les attirait, et c'est ainsi que la charge de l'électron est devenue négative.
Loi de Coulomb pour les charges ponctuelles
À la fin du XVIIIe siècle, Coulomb, ingénieur dans l'armée française, étudie longuement les propriétés des matériaux, les forces agissant sur les poutres et la force de frottement.
Mais on se souvient mieux de lui pour la loi qui porte son nom et qui décrit l'interaction entre deux charges électriques ponctuelles.
Soit deux charges électriques q 1 et q 2. Coulomb a déterminé que la force entre eux, soit l'attraction ou la répulsion, était directement proportionnelle au produit des deux charges, et inversement proportionnelle au carré de la distance entre elles.
Mathématiquement:
Dans cette équation, F représente l'amplitude de la force et r est la distance entre les charges. L'égalité requiert une constante de proportionnalité, appelée constante électrostatique et notée k e.
De cette façon:
En outre, Coulomb a constaté que la force était dirigée le long de la ligne reliant les charges. Donc, si r est le vecteur unitaire le long de cette ligne, la loi de Coulomb en tant que vecteur est:
Application de la loi de Coulomb
Coulomb a utilisé un appareil appelé balance de torsion pour ses expériences. Grâce à cela, il a été possible d'établir la valeur de la constante électrostatique en:
Ensuite, nous verrons une application. Trois charges ponctuelles sont prises q A, q B q C qui sont dans les positions représentées sur la figure 2. Calculer la force nette sur q B.
Figure 2. La force sur la charge négative est calculée en utilisant la loi de Coulomb. Source: F. Zapata.
La charge q A attire la charge q B, car elles ont des signes opposés. La même chose peut être dit sur q C. Le diagramme du corps isolé est sur la figure 2 à droite, dans laquelle on observe que les deux forces sont dirigées le long de l'axe vertical ou axe y, et ont des directions opposées.
La force nette sur la charge q B est:
F R = F AB + F CB (Principe de superposition)
Il ne reste plus qu'à substituer les valeurs numériques, en prenant soin d'écrire toutes les unités dans le Système International (SI).
F AB = 9,0 x 10 9 x 1 x 10 -9 x 2 x 10 -9 / (2 x 10 -2) 2 N (+ y) = 0,000045 (+ y) N
F CB = 9,0 x 10 9 x 2 x 10 -9 x 2 x 10 -9 / (1 x 10 -2) 2 N (- y) = 0,00036 (- y) N
F R = F AB + F CB = 0,000045 (+ y) + 0,00036 (- y) N = 0,000315 (- y) N
Gravité et électricité
Ces deux forces ont la même forme mathématique. Bien sûr, ils diffèrent par la valeur de la constante de proportionnalité et en ce que la gravité fonctionne avec des masses, tandis que l'électricité fonctionne avec des charges.
Mais l'important est que les deux dépendent de l'inverse du carré de la distance.
Il existe un type de masse unique et il est considéré comme positif, de sorte que la force gravitationnelle est toujours attractive, tandis que les charges peuvent être positives ou négatives. Pour cette raison, les forces électriques peuvent être attractives ou répulsives, selon les cas.
Et nous avons ce détail qui découle de ce qui précède: tous les objets en chute libre ont la même accélération, tant qu'ils sont proches de la surface de la Terre.
Mais si on libère un proton et un électron à proximité d'un plan chargé, par exemple, l'électron aura une accélération beaucoup plus grande que le proton. De plus, les accélérations auront des directions opposées.
Enfin, la charge électrique est quantifiée, comme dit. Cela signifie que l'on peut trouver des charges 2,3 ou 4 fois celle de l'électron -ou celle du proton-, mais jamais 1,5 fois cette charge. Les masses, par contre, ne sont pas des multiples d'une seule masse.
Dans le monde des particules subatomiques, la force électrique dépasse la force gravitationnelle en magnitude. Cependant, aux échelles macroscopiques, la force de gravité est la plus importante. Où? Au niveau des planètes, du système solaire, de la galaxie et plus encore.
Références
- Figueroa, D. (2005). Série: Physique pour la science et l'ingénierie. Volume 5. Electrostatique. Edité par Douglas Figueroa (USB).
- Giancoli, D. 2006. Physique: principes et applications. 6e. Ed Prentice Hall.
- Kirkpatrick, L. 2007. Physique: un regard sur le monde. 6e édition abrégée. Apprentissage Cengage.
- Knight, R. 2017. Physique pour les scientifiques et l'ingénierie: une approche stratégique. Pearson.
- Sears, Zemansky. 2016. Physique universitaire et physique moderne. 14e. Éd. V 2.