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COURS D’ELECTROSTATIQUE L1 SN1 2019-20120 Chapitre I : CHARGE ELECTRIQUE Page 1

COURS D’ELECTROSTATIQUE L1 SN1 2019-20120 Chapitre I : CHARGE ELECTRIQUE Page 1 CHAPITRE I : CHARGE ÉLECTRIQUE I.1 Notion de charge électrique La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière intervenant dans les phénomènes électromagnétiques. On définit la charge électrique par l’effet qu’elle produit et par ses propriétés. Deux particules élémentaires sont naturellement pourvues d’une charge électrique à savoir l’électron chargé négativement (–e) et le proton chargé positivement (+e). Le coulomb noté C est l’unité internationale de la charge électrique. I.1.1 Effets des charges électriques Mise en évidence expérimentale - Deux types d’effet : attractif ou répulsif - Effet à longue portée - Effet 1040 plus important que la gravitation I.I.2 Propriétés des charges électriques - Quantification de la charge électrique : la chargeq d’un objet est un multiple entier de la charge élémentaire (+e), la charge est ainsi quantifiée. En valeur absolue, aucune charge ne peut être inférieure à +1,6.10-19 C : q Ze = . - La charge d'un système est une grandeur extensive, c'est à dire qu'elle est la somme algébrique de toutes les charges constituant le système. - Conservation de la charge électrique : la matière peut disparaitre en se transformant en énergie. La charge par contre ne peut que s’annihiler avec une autre charge de même intensité, mais de signe opposé. De la même manière, une charge positive ne peut apparaitre que si une charge négative apparait en même temps. Durant une expérience, les charges positives et les charges négatives sont toujours conservées. Elles ne peuvent jamais être créés ni détruites. Elles ne font que se déplacer d’un corps à un autre ou former de nouvelles particules qui préservent la charge initiale. Cette propriété fondamentale se nomme : Une autre façon de dire la même chose est que la charge totale contenue dans l'Univers est constante. COURS D’ELECTROSTATIQUE L1 SN1 2019-20120 Chapitre I : CHARGE ELECTRIQUE Page 2 I.2 Définition de l’électrostatique L’électrostatique est l’étude des interactions entre deux corps immobiles, dans le repère d’étude, électriquement chargés. I.2.1 Les modes d’électrisation L’électrisation permet de faire apparaitre des charges électriques sur un matériau. En général, la matière est neutre, mais elle peut être électrisée par: - Ionisation : le nombre d’électrons est modifié (perte ou gain d’électrons) - Polarisation : modification de la répartition des charges Ainsi après électrisation deux matériaux exercent les uns sur les autres des forces d’attraction ou de répulsion. I.2.1.1 Électrisation par frottement - Une tige en verre (a) bien sèche, frottée à l’aide d’un morceau de drap en soie ou en laine acquiert une charge positive, tenue à la main, elle attire de petits morceaux de papier. On dit que le verre a été électrisé par frottement. - On obtient le même résultat si on remplace la tige en verre par un bâton d’ébonite (b) et si on répète la même opération. - Si on essaie d’électriser, comme précédemment, une tige métallique, en cuivre par exemple, on n’obtient aucun résultat (c). La tige en métal, tenue à la main, n’exerce aucune force sur les morceaux de papier. - Par contre si on tient, par l’intermédiaire d’un manche en bois, la tige métallique électrisée, on constate que des forces d’attraction se produisent sur toute la surface du métal (d). Interprétation de ces expériences : On attribue cette propriété, qu’acquiert la matière et qui lui permet d’exercer une force, à l’existence de charges électriques q . Dans le cas du verre et de l’ébonite, ces expériences montrent que les charges restent localisées sur la partie frottée et ne se répandent pas sur toute la surface du matériau. Le verre et l’ébonite sont des isolants électriques. Par contre les charges dues à l’électrisation se déplacent dans les métaux et s’écoulent vers la terre à travers le corps de l’expérimentateur. C’est la raison pour laquelle on ne constate aucun effet de l’électrisation dans l’expérience (c). Les métaux sont des corps conducteurs d’électricité. Dans la quatrième expérience, le manche en bois, qui est un isolant, empêche l’écoulement des charges électriques. Néanmoins celles-ci se répandent sur toute la surface du métal. Un métal contient des électrons libres (environ 1 par atome). L’isolant n’en contient que très peu (environ 1 pour 1015 atomes). COURS D’ELECTROSTATIQUE L1 SN1 2019-20120 Chapitre I : CHARGE ELECTRIQUE Page 3 I.2.1.2 Électrisation par contact avec un autre corps chargé En mettant en contact deux objets métalliques, l’un portant une charge électrique positive et l’autre neutre. Lors du contact, les électrons libres du second objet (neutre) sont attirés par la charge positive du premier et certains d’entre d’eux passent de l’un à l’autre. Cette perte d’électrons confère à l’objet initialement neutre une charge nette positive. Ce phénomène porte le nom d’électrisation par conduction : I.2.1.3 Électrisation par influence En rapprochant un objet possédant une charge positive à une tige métallique neutre sans les mettre en contact. Les électrons de la tige vont se déplacer en direction de l’objet électrisé, sans toutefois s’en échapper, ces électrons produisent une charge positive à l’extrémité opposée de la tige. On dit alors qu’une charge a été induite aux deux extrémités de la tige métallique. Aucune charge n’a été créée : elle s’est formée par séparation. La tige possède toujours une charge nette nulle, mais si on la divisait en deux, on obtiendrait deux objets dotés de charges électriques différentes, l’une positive et l’autre négative. On parle alors d’électrisation par influence (ou par induction) : I.2.1.4 Électrisation par effet photoélectrique ou thermoélectrique Une plaque de zinc chauffée ou soumise à un rayonnement U.V. émet des e (-) et acquiert une charge positive. I.2.1.5 Électrisation par effet piézo-électrique Nous observons qu’une action extérieure permet à un atome initialement neutre de perdre ou de gagner des e (-), donc de s’ioniser. En pressant, à l'aide d'un serre-joint, un cristal de spath maintenu entre deux couches de cuir, le spath s’électrise positivement et attire des corps légers tel que le papier. Électroscope: les feuilles chargées par influence se repoussent. Les électrons de la boule d'aluminium se déplacent sous l'influence de la baguette. COURS D’ELECTROSTATIQUE L1 SN1 2019-20120 Chapitre I : CHARGE ELECTRIQUE Page 4 I.2.2 Distributions des charges L’étude des propriétés physiques des corps chargés électriquement nécessite une description mathématique de la répartition des charges. On distinguera les distributions discrètes et les distributions continues. I.2.2 .1 DISTRIBUTION DISCRETE DE CHARGES A/ charge ponctuelle On considérera une charge comme ponctuelle quand la distance charge – observateur est très grande devant la taille caractéristique de la charge. B/ distribution discrète Une distribution discrète de charges est un ensemble de charges électriques ponctuelles proches les une des autres, discernable par un observateur. Une charge est ponctuelle si l’objet qui la porte est assimilable à un point matériel. Pour un ensemble de N charges ponctuelles, la charge totale 1 N i i Q q = = . I.2.2 .2 DISTRIBUTION CONTINUE DE CHARGES Les charges, indiscernables à l’échelle macroscopique, sont contenues dans un volume v, une surface S ou sur un contour C. A/ Densité volumique de charges Soit un objet de volume V Chargé en électricité. On définit la quantité dq dv = comme étant la densité volumique de charge avec dq : élément de charges contenue dans dv : élément de volume autour d’un point M. V dq dq dv q dv dv    =  =  =  : la charge contenue dans le volume V et  a pour unité : C/m3 ou C.m-3 B/ Densité surfacique de charges Soit un objet A ayant uniquement des charges à sa surface. On définit la grandeur dq dS = comme étant la densité surfacique. dq : élément de charges contenue sur dS : élément de surface autour d’un point M   a pour unité : C/m2 ; s dq dq ds q ds ds    =  =  =  C/ Densité linéique de charges Si des charges sont réparties sur une ligne uniquement (à savoir un conducteur de section très faible par rapport à la longueur), on définit la grandeur dq dl = comme étant la densité linéique. dq : élément de charges contenue sur dl : élément de longueur autour d’un point M. L’unité de  est : C/m ; l dq dq dl q dl dl    =  =  =     dv dq Volume V S    dS dq    dl dq conducteur uploads/Finance/ 01-chapi-charge-electrique-2019-2020.pdf