Charge électrique - Electric charge

Charge électrique
Frais VFPt plus moins thumb.svg
Champ électrique d'une charge ponctuelle positive et négative
Symboles communs
q
Unité SI Coulomb
Autres unités
En unités de base SI C = A⋅s
Vaste ? Oui
Conservé ? Oui
Dimension

La charge électrique est la propriété physique de la matière qui lui fait ressentir une force lorsqu'elle est placée dans un champ électromagnétique . La charge électrique peut être positive ou négative (généralement portée par les protons et les électrons respectivement). Les charges similaires se repoussent et les charges différentes s'attirent. Un objet sans charge nette est dit neutre . Les premières connaissances sur la façon dont les substances chargées interagissent sont maintenant appelées électrodynamique classique et sont toujours exactes pour les problèmes qui ne nécessitent pas la prise en compte des effets quantiques .

La charge électrique est une propriété conservée ; la charge nette d'un système isolé , la quantité de charge positive moins la quantité de charge négative, ne peut pas changer. La charge électrique est portée par des particules subatomiques . Dans la matière ordinaire, la charge négative est portée par les électrons et la charge positive est portée par les protons dans les noyaux des atomes . S'il y a plus d'électrons que de protons dans un morceau de matière, il aura une charge négative, s'il y en a moins, il aura une charge positive, et s'il y a des nombres égaux, il sera neutre. La charge est quantifiée ; il vient en multiples entiers de petites unités individuelles appelées la charge élémentaire , e , environ1,602 × 10 −19  coulombs , qui est la plus petite charge pouvant exister librement (les particules appelées quarks ont des charges plus petites, multiples de1/3e , mais ils ne se trouvent qu'en combinaison, et se combinent toujours pour former des particules de charge entière). Le proton a une charge de + e , et l'électron a une charge de − e .

Les charges électriques produisent des champs électriques . Une charge en mouvement produit également un champ magnétique . L'interaction de charges électriques avec un champ électromagnétique (combinaison de champs électriques et magnétiques) est la source de la force électromagnétique (ou de Lorentz) , qui est l'une des quatre forces fondamentales de la physique . L'étude des interactions à médiation photonique entre les particules chargées est appelée électrodynamique quantique .

L' unité de charge électrique dérivée du SI est le coulomb (C) du nom du physicien français Charles-Augustin de Coulomb . En génie électrique, il est également courant d'utiliser l' ampère-heure (Ah). En physique et en chimie, il est courant d'utiliser la charge élémentaire ( e ) comme unité. La chimie utilise également la constante de Faraday comme charge sur une mole d'électrons. Le symbole q minuscule indique souvent la charge.

Aperçu

Schéma montrant les lignes de champ et les équipotentielles autour d'un électron , une particule chargée négativement. Dans un atome électriquement neutre , le nombre d'électrons est égal au nombre de protons (qui sont chargés positivement), ce qui entraîne une charge globale nette de zéro

La charge est la propriété fondamentale de la matière qui présente une attraction ou une répulsion électrostatique en présence d'une autre matière chargée. La charge électrique est une propriété caractéristique de nombreuses particules subatomiques . Les charges des particules libres sont des multiples entiers de la charge élémentaire e ; on dit que la charge électrique est quantifiée . Michael Faraday , dans ses expériences d' électrolyse , a été le premier à noter la nature discrète de la charge électrique. L'expérience de la goutte d'huile de Robert Millikan a démontré ce fait directement et a mesuré la charge élémentaire. Il a été découvert qu'un type de particule, les quarks , ont des charges fractionnaires de -1/3 ou +2/3, mais on pense qu'ils se produisent toujours dans des multiples de charge intégrale; les quarks libres n'ont jamais été observés.

Par convention , la charge d'un électron est négative, −e , tandis que celle d'un proton est positive, +e . Les particules chargées dont les charges ont le même signe se repoussent et les particules dont les charges ont des signes différents s'attirent. La loi de Coulomb quantifie la force électrostatique entre deux particules en affirmant que la force est proportionnelle au produit de leurs charges, et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. La charge d'une antiparticule est égale à celle de la particule correspondante, mais de signe opposé.

La charge électrique d'un objet macroscopique est la somme des charges électriques des particules qui le composent. Cette charge est souvent faible, car la matière est constituée d' atomes et les atomes ont généralement un nombre égal de protons et d' électrons , auquel cas leurs charges s'annulent, donnant une charge nette de zéro, rendant ainsi l'atome neutre.

Un ion est un atome (ou groupe d'atomes) qui a perdu un ou plusieurs électrons, lui donnant une charge nette positive (cation), ou qui a gagné un ou plusieurs électrons, lui donnant une charge nette négative (anion). Les ions monoatomiques sont formés à partir d'atomes uniques, tandis que les ions polyatomiques sont formés à partir de deux atomes ou plus qui ont été liés ensemble, produisant dans chaque cas un ion avec une charge nette positive ou négative.

Champ électrique induit par une charge électrique positive
Champ électrique induit par une charge électrique négative
Champ électrique induit par une charge électrique positive (à gauche) et un champ induit par une charge électrique négative (à droite).

Au cours de la formation d'objets macroscopiques, les atomes et les ions constitutifs se combinent généralement pour former des structures composées de composés ioniques neutres liés électriquement à des atomes neutres. Ainsi, les objets macroscopiques tendent à être globalement neutres, mais les objets macroscopiques sont rarement parfaitement nets neutres.

Parfois, les objets macroscopiques contiennent des ions répartis dans tout le matériau, liés de manière rigide en place, donnant une charge globale nette positive ou négative à l'objet. De plus, les objets macroscopiques constitués d'éléments conducteurs peuvent plus ou moins facilement (selon l'élément) embarquer ou émettre des électrons, puis maintenir indéfiniment une charge nette négative ou positive. Lorsque la charge électrique nette d'un objet est non nulle et immobile, le phénomène est connu sous le nom d'électricité statique . Cela peut facilement être produit en frottant deux matériaux différents, comme le frottement de l' ambre avec de la fourrure ou du verre avec de la soie . De cette manière, les matériaux non conducteurs peuvent être chargés de manière significative, positivement ou négativement. La charge prise d'un matériau est déplacée vers l'autre matériau, laissant derrière elle une charge opposée de la même amplitude. La loi de conservation de la charge s'applique toujours, donnant à l'objet duquel une charge négative est prélevée une charge positive de même grandeur, et vice versa.

Même lorsque la charge nette d'un objet est nulle, la charge peut être distribuée de manière non uniforme dans l'objet (par exemple, en raison d'un champ électromagnétique externe ou de molécules polaires liées). Dans de tels cas, l'objet est dit polarisé . La charge due à la polarisation est appelée charge liée , tandis que la charge sur un objet produite par les électrons gagnés ou perdus de l'extérieur de l'objet est appelée charge libre . Le mouvement des électrons dans les métaux conducteurs dans une direction spécifique est connu sous le nom de courant électrique .

Unités

L' unité SI dérivée de la quantité de charge électrique est le coulomb (symbole : C). Le coulomb est défini comme la quantité de charge qui traverse la section transversale d'un conducteur électrique transportant un ampère pendant une seconde . Cette unité a été proposée en 1946 et ratifiée en 1948. Dans la pratique moderne, l'expression "montant de charge" est utilisée au lieu de "quantité de charge". Le symbole q minuscule est souvent utilisé pour désigner une quantité d'électricité ou de charge. La quantité de charge électrique peut être mesurée directement avec un électromètre , ou indirectement mesurée avec un galvanomètre balistique .

La quantité de charge dans 1 électron ( charge élémentaire ) est définie comme une constante fondamentale dans le système d'unités SI (en vigueur depuis le 20 mai 2019). La valeur de la charge élémentaire, lorsqu'elle est exprimée dans l'unité SI pour la charge électrique (coulomb), est exactement 1,602 176 634 × 10 −19  C .

Après avoir découvert le caractère quantifié de la charge, en 1891, George Stoney proposa l'unité « électron » pour cette unité fondamentale de charge électrique. C'était avant la découverte de la particule par JJ Thomson en 1897. L'unité est aujourd'hui appelée charge élémentaire , unité fondamentale de charge , ou simplement e . Une mesure de charge doit être un multiple de la charge élémentaire e , même si à grande échelle la charge semble se comporter comme une quantité réelle . Dans certains contextes, il est significatif de parler de fractions de charge ; par exemple dans la charge d'un condensateur , ou dans l' effet Hall quantique fractionnaire .

L'unité faraday est parfois utilisée en électrochimie. Un faraday de charge est l'amplitude de la charge d'une mole d'électrons, soit 96485.33289(59) C.

Dans les systèmes d'unités autres que SI tels que cgs , la charge électrique est exprimée comme une combinaison de seulement trois quantités fondamentales (longueur, masse et temps), et non quatre, comme dans SI, où la charge électrique est une combinaison de longueur, masse, le temps et le courant électrique.

Histoire

Balance de torsion de Coulomb

Depuis les temps anciens, les gens connaissaient quatre types de phénomènes qui aujourd'hui seraient tous expliqués à l'aide du concept de charge électrique : (a) la foudre , (b) le poisson torpille (ou rayon électrique), (c) le feu de Saint-Elme , et (d) que l' ambre frotté de fourrure attirerait de petits objets légers. Le premier compte de l' effet ambre est souvent attribué à l'ancien mathématicien grec Thalès de Milet , qui a vécu à partir de c. 624 - ch. 546 avant JC, mais il y a des doutes quant à savoir si Thalès a laissé des écrits ; son compte sur l'ambre est connu d'un compte du début des années 200. Ce récit peut être considéré comme la preuve que le phénomène était connu depuis au moins c. 600 avant JC, mais Thalès a expliqué ce phénomène comme une preuve d'objets inanimés ayant une âme. En d'autres termes, il n'y avait aucune indication d'une quelconque conception de la charge électrique. Plus généralement, les anciens Grecs ne comprenaient pas les liens entre ces quatre types de phénomènes. Les Grecs ont observé que les boutons d'ambre chargés pouvaient attirer des objets légers tels que des cheveux . Ils ont également découvert que s'ils frottaient l'ambre assez longtemps, ils pouvaient même faire sauter une étincelle électrique , mais il y a aussi une affirmation selon laquelle aucune mention d'étincelles électriques n'est apparue avant la fin du XVIIe siècle. Cette propriété dérive de l' effet triboélectrique . À la fin des années 1100, le jet de substance , une forme compactée de charbon, a été noté pour avoir un effet ambré, et au milieu des années 1500, Girolamo Fracastoro , a découvert que le diamant présentait également cet effet. Des efforts ont été faits par Fracastoro et d'autres, en particulier Gerolamo Cardano, pour développer des explications à ce phénomène.

Contrairement à l' astronomie , la mécanique et l' optique , qui avaient été étudiées quantitativement depuis l'Antiquité, le début des recherches qualitatives et quantitatives en cours sur les phénomènes électriques peut être marqué par la publication de De Magnete par le scientifique anglais William Gilbert en 1600. Dans ce livre , il y avait une petite section où Gilbert est revenu à l'effet ambre (comme il l'appelait) en abordant de nombreuses théories antérieures, et a inventé le nouveau mot latin electrica (de ἤλεκτρον (ēlektron), le mot grec pour ambre ). Le mot latin a été traduit en anglais par électricité . Gilbert est également crédité du terme électrique , tandis que le terme électricité est venu plus tard, d'abord attribué à Sir Thomas Browne dans son Pseudodoxia Epidemica de 1646. (Pour plus de détails linguistiques, voir Étymologie de l'électricité .) Gilbert a émis l'hypothèse que cet effet d'ambre pourrait être expliqué par un effluve (un petit flux de particules qui s'écoule de l'objet électrique, sans diminuer son volume ou son poids) qui agit sur d'autres objets. Cette idée d'un effluvium électrique matériel a eu une influence aux XVIIe et XVIIIe siècles. C'est un précurseur des idées développées au XVIIIe siècle sur le « fluide électrique » (Dufay, Nollet, Franklin) et la « charge électrique ».

Vers 1663, Otto von Guericke a inventé ce qui était probablement le premier générateur électrostatique , mais il ne l'a pas reconnu principalement comme un appareil électrique et n'a mené qu'un minimum d'expériences électriques avec lui. D'autres pionniers européens étaient Robert Boyle , qui en 1675 publia le premier livre en anglais consacré uniquement aux phénomènes électriques. Son travail était en grande partie une répétition des études de Gilbert, mais il a également identifié plusieurs autres « électriques », et a noté une attraction mutuelle entre deux corps.

En 1729, Stephen Gray expérimentait l'électricité statique , qu'il générait à l'aide d'un tube de verre. Il a remarqué qu'un bouchon, utilisé pour protéger le tube de la poussière et de l'humidité, s'est également électrifié (chargé). D'autres expériences (par exemple, étendre le bouchon en y mettant de minces bâtons) ont montré pour la première fois que les effluves électriques (comme l'appelait Gray) pouvaient être transmis (conduits) à distance. Gray a réussi à transmettre la charge avec de la ficelle (765 pieds) et du fil (865 pieds). Grâce à ces expériences, Gray a découvert l'importance de différents matériaux, qui ont facilité ou entravé la conduction des effluves électriques. John Theophilus Desaguliers , qui a répété de nombreuses expériences de Gray, est crédité d'avoir inventé les termes conducteurs et isolants pour désigner les effets de différents matériaux dans ces expériences. Gray a également découvert l'induction électrique (c'est-à-dire où la charge pouvait être transmise d'un objet à un autre sans aucun contact physique direct). Par exemple, il montra qu'en approchant un tube de verre chargé sans le toucher d'un morceau de plomb soutenu par un fil, il était possible d'électrifier le plomb (par exemple pour attirer et repousser la limaille de laiton). Il tenta d'expliquer ce phénomène par l'idée d'effluves électriques.

Les découvertes de Gray ont introduit un changement important dans le développement historique des connaissances sur la charge électrique. Le fait que les effluves électriques pouvaient être transférés d'un objet à un autre, ouvrait la possibilité théorique que cette propriété ne soit pas indissociable des corps électrisés par le frottement. En 1733 Charles François de Cisternay du Fay , inspiré par les travaux de Gray, fit une série d'expériences (rapportées dans les Mémoires de l' Académie Royale des Sciences ), montrant que plus ou moins toutes les substances pouvaient être « électrifiées » par frottement, à l'exception des métaux et les fluides et a proposé que l'électricité se présente sous deux variétés qui s'annulent, ce qu'il a exprimé en termes de théorie des deux fluides. Quand le verre était frotté avec de la soie , du Fay disait que le verre était chargé d' électricité vitreuse , et, quand l'ambre était frotté avec de la fourrure, l'ambre était chargé d' électricité résineuse . Dans la compréhension contemporaine, la charge positive est maintenant définie comme la charge d'une tige de verre après avoir été frottée avec un tissu de soie, mais il est arbitraire de savoir quel type de charge est appelée positive et laquelle est appelée négative. Une autre théorie des deux fluides importante de cette époque a été proposée par Jean-Antoine Nollet (1745).

Jusqu'à environ 1745, la principale explication de l'attraction et de la répulsion électriques était l'idée que les corps électrifiés dégageaient un effluve. Benjamin Franklin a commencé des expériences électriques à la fin de 1746 et, en 1750, avait développé une théorie de l'électricité à un fluide , basée sur une expérience qui montrait qu'un verre frotté recevait la même force de charge, mais opposée, que le tissu utilisé pour frotter le verre. Franklin a imaginé l'électricité comme étant un type de fluide invisible présent dans toute matière ; par exemple, il croyait que c'était le verre dans une jarre de Leyde qui contenait la charge accumulée. Il a postulé que le frottement des surfaces isolantes ensemble a causé ce fluide à changer d'emplacement, et qu'un écoulement de ce fluide constitue un courant électrique. Il a également postulé que lorsque la matière contenait un excès de fluide, elle était chargée positivement et lorsqu'elle avait un déficit, elle était chargée négativement . Il a identifié le terme positif avec l'électricité vitreuse et négatif avec l'électricité résineuse après avoir effectué une expérience avec un tube de verre qu'il avait reçu de son collègue d'outre-mer Peter Collinson. L'expérience a demandé au participant A de charger le tube de verre et au participant B de recevoir un choc à l'articulation du tube chargé. Franklin a identifié le participant B comme étant chargé positivement après avoir été choqué par le tube. Il existe une certaine ambiguïté quant à savoir si William Watson est arrivé indépendamment à la même explication à un seul fluide à la même époque (1747). Watson, après avoir vu la lettre de Franklin à Collinson, affirme qu'il avait présenté la même explication que Franklin au printemps 1747. Franklin avait étudié certaines des œuvres de Watson avant de faire ses propres expériences et analyses, ce qui était probablement important pour la propre théorie de Franklin. Un physicien suggère que Watson a d'abord proposé une théorie à un fluide, que Franklin a ensuite élaborée de manière plus approfondie et plus influente. Un historien des sciences soutient que Watson a raté une différence subtile entre ses idées et celles de Franklin, de sorte que Watson a mal interprété ses idées comme étant similaires à celles de Franklin. En tout cas, il n'y avait aucune animosité entre Watson et Franklin, et le modèle d'action électrique de Franklin, formulé au début de 1747, devint finalement largement accepté à cette époque. Après les travaux de Franklin, les explications basées sur les effluves ont rarement été avancées.

On sait maintenant que le modèle de Franklin était fondamentalement correct. Il n'y a qu'un seul type de charge électrique et une seule variable est nécessaire pour suivre la quantité de charge.

Jusqu'en 1800, il n'était possible d'étudier la conduction des charges électriques qu'en utilisant une décharge électrostatique. En 1800, Alessandro Volta fut le premier à montrer que la charge pouvait être maintenue en mouvement continu à travers un chemin fermé.

En 1833, Michael Faraday a cherché à lever tout doute sur l'identité de l'électricité, quelle que soit la source par laquelle elle est produite. Il a discuté d'une variété de formes connues, qu'il a caractérisées comme l'électricité commune (par exemple, l'électricité statique , la piézoélectricité , l'induction magnétique ), l'électricité voltaïque (par exemple, le courant électrique d'une pile voltaïque ) et l'électricité animale (par exemple, la bioélectricité ).

En 1838, Faraday a soulevé la question de savoir si l'électricité était un fluide ou des fluides ou une propriété de la matière, comme la gravité. Il a cherché à savoir si l'affaire pouvait être chargée d'un type d'accusation indépendamment de l'autre. Il est arrivé à la conclusion que la charge électrique était une relation entre deux ou plusieurs corps, car il ne pouvait pas charger un corps sans avoir une charge opposée dans un autre corps.

En 1838, Faraday a également proposé une explication théorique de la force électrique, tout en exprimant la neutralité quant à savoir si elle provient d'un, deux ou aucun fluide. Il s'est concentré sur l'idée que l'état normal des particules doit être non polarisé et que lorsqu'elles sont polarisées, elles cherchent à revenir à leur état naturel non polarisé.

En développant une approche de la théorie des champs en électrodynamique (à partir du milieu des années 1850), James Clerk Maxwell cesse de considérer la charge électrique comme une substance spéciale qui s'accumule dans les objets et commence à comprendre la charge électrique comme conséquence de la transformation de l'énergie dans le champ. . Cette compréhension pré-quantique considérait la magnitude de la charge électrique comme une quantité continue, même au niveau microscopique.

Le rôle de la charge dans l'électricité statique

L'électricité statique fait référence à la charge électrique d'un objet et à la décharge électrostatique associée lorsque deux objets ne sont pas en équilibre. Une décharge électrostatique crée un changement dans la charge de chacun des deux objets.

Electrification par friction

Lorsqu'un morceau de verre et un morceau de résine - dont aucun ne présente de propriétés électriques - sont frottés ensemble et laissés avec les surfaces frottées en contact, ils ne présentent toujours aucune propriété électrique. Séparés, ils s'attirent.

Un deuxième morceau de verre frotté avec un deuxième morceau de résine, puis séparé et suspendu à proximité des anciens morceaux de verre et de résine provoque ces phénomènes :

  • Les deux morceaux de verre se repoussent.
  • Chaque morceau de verre attire chaque morceau de résine.
  • Les deux morceaux de résine se repoussent.

Cette attraction et répulsion est un phénomène électrique , et les corps qui les présentent sont dits électrifiés ou chargés électriquement . Les corps peuvent être électrifiés de bien d'autres manières, ainsi que par friction. Les propriétés électriques des deux morceaux de verre sont similaires mais opposées à celles des deux morceaux de résine : le verre attire ce que la résine repousse et repousse ce que la résine attire.

Si un corps électrisé de quelque manière que ce soit se comporte comme le verre, c'est-à-dire s'il repousse le verre et attire la résine, le corps est dit vitreux électrifié, et s'il attire le verre et repousse la résine, il est dit être électrifié par une résine . Tous les corps électrifiés sont soit vitreux, soit résineux électrifiés.

Une convention établie dans la communauté scientifique définit l'électrification vitreuse comme positive et l'électrification résineuse comme négative. Les propriétés exactement opposées des deux sortes d'électrification justifient qu'on les désigne par des signes opposés, mais l'application du signe positif à l'une plutôt qu'à l'autre doit être considérée comme une affaire de convention arbitraire — comme il s'agit de convention dans le diagramme mathématique pour compter les distances positives vers la main droite.

Aucune force, ni d'attraction ni de répulsion, ne peut être observée entre un corps électrisé et un corps non électrisé.

Le rôle de la charge dans le courant électrique

Le courant électrique est le flux de charge électrique à travers un objet, qui ne produit aucune perte ou gain net de charge électrique. Les porteurs de charge les plus courants sont le proton chargé positivement et l' électron chargé négativement . Le mouvement de n'importe laquelle de ces particules chargées constitue un courant électrique. Dans de nombreuses situations, il suffit de parler de courant conventionnel sans se soucier s'il est porté par des charges positives se déplaçant dans le sens du courant conventionnel ou par des charges négatives se déplaçant dans le sens opposé. Ce point de vue macroscopique est une approximation qui simplifie les concepts et les calculs électromagnétiques.

A l'extrême opposé, si l'on regarde la situation microscopique, on voit qu'il y a plusieurs manières de transporter un courant électrique , dont : un flux d'électrons ; un flux de trous d' électrons qui agissent comme des particules positives ; et les particules négatives et positives ( ions ou autres particules chargées) circulant dans des directions opposées dans une solution électrolytique ou un plasma .

Attention, dans le cas courant et important des fils métalliques, le sens du courant conventionnel est opposé à la vitesse de dérive des porteurs de charge réels ; c'est-à-dire les électrons. C'est une source de confusion pour les débutants.

Conservation de la charge électrique

La charge électrique totale d'un système isolé reste constante quels que soient les changements au sein du système lui-même. Cette loi est inhérente à tous les processus connus de la physique et peut être dérivée sous une forme locale de l' invariance de jauge de la fonction d'onde . La conservation de la charge se traduit par l' équation de continuité charge-courant . Plus généralement, le taux de variation de la densité de charge ρ dans un volume d'intégration V est égal à l'aire intégrale sur la densité de courant J à travers la surface fermée S = V , qui est à son tour égale au courant net I :

\oiint

Ainsi, la conservation de la charge électrique, exprimée par l'équation de continuité, donne le résultat :

La charge transférée entre les temps et est obtenue en intégrant les deux côtés :

I est le courant sortant net à travers une surface fermée et q est la charge électrique contenue dans le volume défini par la surface.

Invariance relativiste

Hormis les propriétés décrites dans les articles sur l' électromagnétisme , la charge est un invariant relativiste . Cela signifie que toute particule qui a une charge q a la même charge quelle que soit la vitesse à laquelle elle se déplace. Cette propriété a été vérifiée expérimentalement en montrant que la charge d'un noyau d' hélium (deux protons et deux neutrons liés ensemble dans un noyau et se déplaçant à grande vitesse) est la même que celle de deux noyaux de deutérium (un proton et un neutron liés ensemble, mais se déplaçant beaucoup plus lentement qu'ils ne le feraient s'ils étaient dans un noyau d'hélium).

Voir également

Les références

Liens externes