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Chapitre I : Atome et ses constituants : genèse de la charge électrique I.1 La

Chapitre I : Atome et ses constituants : genèse de la charge électrique I.1 La charge électrique à l’échelle microscopique Les études expérimentales faites sur la matière à la fin du siècle dernier et au début de ce siècle ont poussé leurs auteurs à considérer la matière comme étant considérée de particules plus ou moins grosses (de masse plus ou moins importante) regroupées de façon ordonnée dans les entités appelées atomes. Le nombre de ces particules détermine la nature de l’atome. Trois principaux types de particules ont été identifiés, les neutrons et les protons qui forment le noyau de l’atome (partie compacte située au centre de l’atome) et les électrons qui forment un nuage autour du noyau. Les masses précises de ces particules élémentaires sont suivantes électron = 9,1091. 10-31 Kg, proton = 1,6725 10-27 Kg, 1,6748 10-27 Kg. Il faut, pour cela, doter certaines des particules élémentaires de propriétés particulières, résultat de la présence d’une charge électrique négative pour les électrons et d’une charge électrique positive pour les protons. C’est justement grâce à cette charge électrique que l’on explique l’ensemble des phénomènes de l’électricité. Le neutron est, quant à lui, une particule sans charge électrique. L’unité de charge électrique est le coulomb(symbole). La charge électrique portée par l’électron vaut -1,6 10-19 C celle portée par le proton vaut +1,6 10-19 C. On appelle charge électrique élémentaire la quantité e=+1,6 10-19 C. Un problème électrique (électrocinétique ou électro-statique macroscopique est donc le résultat de la somme plus ou moins complexe des interactions microscopiques entre atomes mettant en jeu leurs constituants. Quelques informations supplémentaires sur la structure des atomes vont être utiles à la compréhension des phénomènes électrostatiques que nous aurons à étudier dans ce travail. Le noyau (neutrons et protons) est de charge électrique totale positive, et le nuage d’électrons est de charge électrique totale négative. Cette description schématique de la constitution de la matière ne suffit pas à elle seule à expliquer tous les phénomènes que l’on peut rencontrer ou provoquer dans la nature et notamment les phénomènes électriques A l’état naturel (l’état le plus courant), tout atome X est globalement électriquement neutre car le nombre d’électrons est toujours égal à celui des protons du noyau. si les particules du noyau forment un ensemble très soudé et sont donc difficilement séparables, les électrons sont, pour certains d’entre eux(ceux qui gravitent loin du noyau : les électrons dits périphériques), plus enclins à se séparer de l’atome auquel ils appartiennent quand ils sont l’objet d’une sollicitation venant de l’extérieur(une réaction chimique, un contact, un frottement, etc.) Un atome peut donc gagner un ou plusieurs électrons, il devient alors un ion que l’on note X-, X+, etc., selon le nombre d’électrons qu’il a gagnés ou perdus par rapport à son état stable. Un ion n’est plus globalement neutre, il est électriquement positif ou négatif. Ce seront les électrons périphériques qui entreront en jeu dans les phénomènes d’électrisation car, situés sur l’orbite la plus externe de l’atome, ils sont plus susceptibles que les autres d’être arrachés de l’atome. Tous les atomes, qu’ils appartiennent à un corps isolant ou conducteur, possèdent des électrons périphériques ; ce sont les plus sensibles aux actions extérieures. Sous l’action d’une force, dont l’origine peut être mécanique (frottement l’un contre l’autre de deux matériaux différents), sous l’effet d’une réaction chimique, d’une influence magnétique ou électrostatique, il est possible d’extraire d’un atome un ou plusieurs électrons périphériques. Les charges électriques positives devenant prépondérantes, l’atome est en déséquilibre électrique ; il est électrisé positivement. ‖+Q‖>‖−Q‖ Inversement, quand un atome a réussi à capter et à conserver un ou plusieurs électrons, l’ensemble des charges électriques négatives l’emporte sur les charges électriques positives et l’atome est électrisé négativement .‖+Q‖<‖−Q‖ I.2 La charge électrique à l’échelle macroscopique Les phénomènes que nous aurons à étudier ne mettront jamais en jeu qu’un ou quelques atomes. Nous serons toujours en présence de corps macroscopiques, constitués d’un très grand nombre d’atomes, parmi lesquels certains réagiront pour donner lieu aux phénomènes électrostatiques. Champ électrostatique et potentiel électrostatique Reprenons une des expériences de base de l’électrostatique (faisant intervenir des corps macroscopique), expérience que l’on retrouve dans tous les manuels d’électricité. Elle va nous permettre, d’une part, de voir comment la théorie atomique de la structure de la matière, dont nous venons de rappeler les rudiments, explique le phénomène et d’autre part, d’introduire assez naturellement, toujours pour expliquer le phénomène, la notion de force électrique. Une baguette de verre bien sec est frottée énergétiquement avec un chiffon en tissu puis est accrochée à un étrier léger lui-même suspendu à un fil. Lorsqu’un un bâton de résine acrylique, que l’on a également frotté avec un chiffon ou un tissu, est approché de l’extrémité de la baguette de verre, la baguette suspendue est attirée. Si nous remplaçons le bâton de résine acrylique (du plexiglas, par exemple) par une autre baguette de verre qui a subi le même traitement, la baguette suspendue est repoussée. Nous avons électrisé les baguettes. L’explication de cette double expérience tient tout d’abord à la façon dont la matière est constituée mais aussi à la manière dont les deux types d’électricité agissent l’un sur l’autre. Deux particules chargées, au repos, portant des charges électriques q et q’ exercent l’une sur l’autre des forces de grandeur égale, de sens opposé et portées par la droite qui joint les centres des particules. Elles sont répulsives si les charges sont de même signe et attractives si elles sont de signe contraire. Si les charges q et q’ sont dans le vide, le module commun de ces forces est : F= q .q ' 4 π ε 0d 2 Avec q et q’ les deux charges électriques ponctuelles exprimées en coulomb C ; ε0(=8, 85. 10-12 ), la permittivité électrique du vide exprimée en farad par mètre(F/m) ; d la distance séparant les deux charges en mètre(m) F est la force de Coulomb exprimée en newton(N). Mathématiquement, tout se passe comme si l’ensemble de la charge électrique était concentré en un point : le centre de la particule matérielle. Si les deux charges sont dans un milieu matériel (un gaz, un liquide, etc.), on remplace la permittivité du vide ε0 par celle du milieu ε qui s’écrit aussi où ε = ε0 εr est la permittivité relative du milieu. Dans la première partie de notre expérience, le chiffon et la baguette de verre possèdent donc chacun une même charge électrique mais de signe contraire alors qu’ils étaient tous les deux électriquement neutres au départ. Cette simple explication décrit correctement ce qui se passe au niveau atomique, dans le premier comme dans le second cas, mais n’est cependant pas suffisante à l’explication totale du phénomène puisqu’elle ne rend pas compte de l’attraction et de la répulsion des baguettes. Pour cela nous devons préciser la façon dont les charges électriques agissent les unes sur les autres. Le plus simple est de repartir du niveau microscopique. En résumé, le frottement d’un corps sur un autre fait apparaitre des charges électriques négatives sur l’un des corps, et des charges positives sur l’autre, qui restent en place une fois les corps séparés. La baguette et le bâton de notre expérience ne peuvent évidemment en aucun cas être assimilés à des charges ponctuelles (qui n’existent d’ailleurs jamais en réalité). La formule précédente ne peut donc pas être appliquée telle quelle directement. Conclusion Sans entrer dans le détail des calculs, on peut signaler néanmoins que l’intensité réelle de l’attraction ou de la répulsion d’un objet sur un autre est la somme des multitudes d’attraction ou de répulsions développées par toutes les particules électriques présentes sur les objets, particules assimilées cette fois-ci à des charges ponctuelles. Les deux parties de notre expérience s’expliquent donc maintenant sans difficulté. Le verre frotté porte une charge électrique de signe contraire à celle que porte la résine acrylique frottée (les deux baguettes s’attirent). Dans la deuxième partie de l’expérience, elles se repoussent car les baguettes (toutes deux en verre) portent des charges de même signe. Les charges ponctuelles isolées ne se rencontrent en réalité qu’en physique atomique. Dans la réalité macroscopique, qui est celle que nous traitons dans ce travail, les phénomènes sont relatifs à un très grand nombre de charges disposées soit sur un fil, soit une surface, soit dans un volume. La multitude des charges va alors conférer à l’ensemble de la charge un caractère continu. Chapitre II : LES MATERIAUX : CONDUCTEURS ET ISOLANTS II.1 Généralités Tout phénomène électrostatique est donc à la présence de charges électriques. Une charge électrique n’existe pas indépendamment d’un support matériel, même la charge élémentaire est portée par un électron qui est une particule matérielle. CONCLUSION AU NIVEAU macroscopique, pour les problèmes électrostatiques dont nous aurons à rendre compte, il est important de préciser l’aptitude de la matière (un morceau de métal, de plastique, un gaz, un liquide, etc. à donner naissance, sous l’action d’une sollicitation extérieure, à des charges électriques en son sein, c’est-à-dire son aptitude à s’opposer ou non à la séparation des charges positives des uploads/Finance/ la-charge-electrique-a-l.pdf