Science et technologie s1152

La charge électrique

La charge électrique est une propriété de la matière liée à la perte de neutralité d'une substance. Il existe deux sortes de charges électriques dans la matière: la charge positive, qui est celle du proton, et la charge négative, qui est celle de l'électron.

Les atomes qui composent la matière sont constitués d'électrons qui gravitent autour d'un noyau de charge positive. Habituellement, un atome est électriquement neutre puisqu'il comporte autant de charges négatives (électrons) que de charges positives (protons). Cependant, il est possible de briser cette neutralité et de charger les objets. Étant donné que les protons sont fortement retenus dans le noyau, ce ne sont que les électrons qui peuvent être perdus ou gagnés et ainsi influencer la charge électrique d'un objet.

Un corps chargé négativement possède un surplus d'électrons (plus d'électrons que de protons).
Un corps chargé positivement présente un déficit en électrons (moins d'électrons que de protons).

La charge électrique

La charge positive est attribuée au proton qui a une charge « +1 » alors que la charge négative est attribuée à l'électron qui a une charge « -1 ». Il est possible, en regroupant ces particules, d’augmenter la charge électrique. Il existe aussi une particule, le neutron, qui ne possède pas de charge (on lui attribue une charge nulle de 0).

Trois protons auront une charge de +3 et, de la même façon, cinq électrons auront une charge de -5. On observe rarement les protons et les électrons séparés les uns des autres puisque, dans la nature, on les trouve regroupés dans un même atome. Or, comme les atomes ont généralement le même nombre de protons que d’électrons, on dit que l’atome a une charge nulle («0»). Les charges positives et négatives s’annulent. Pour trouver la charge totale d’un atome, on additionne les charges positives avec les charges négatives.
Voici trois atomes de carbone.
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L’atome #1 possède 6 protons et 6 électrons. Sa charge totale est donc de 0 puisque:
|(6 \times (+1)) + (6 \times (-1)) = (+6) + (-6) = 0|
On notera l'atome de la façon suivante: |C|
 
Dans l’atome #2, il y a 6 protons et 2 électrons. La charge totale est donc de 4+ puisque:
|(6 \times (+1)) + (2 \times (-1)) = (+6) + (-2) = +4|
On notera l'atome de la façon suivante: |C^{4+}|
 
Dans l’atome #3, on observe 6 protons et 10 électrons, ce qui donne une charge totale de 4- puisque:
|(6 \times (+1)) + (10 \times (-1)) = (+6) + (-10) = -4|
On notera l'atome de la façon suivante: |C^{4-}|
Les atomes qui ne sont pas neutres sont appelés des ions. Il n’y a cependant pas que les atomes qui peuvent être chargés. Les molécules aussi peuvent avoir un surplus de protons ou d’électrons. On appellera ces molécules particulières des radicaux.

Le comportement de charges électriques (loi des charges électriques)

Les charges électriques sont à l'origine des forces électrostatiques observées entre les objets. Il existe deux comportements qui peuvent s'établir entre des objets électriquement chargés: des forces d'attraction ou des forces de répulsion. L'observation du comportement des charges électriques nous amène à faire trois constats:

  • Deux particules de signes contraires s'attirent (force d'attraction).
  • Deux particules de signes identiques se repoussent (force de répulsion).
  • Une particule chargée peut attirer certaines particules neutres (force d'attraction due au phénomène d'induction).

La mesure des charges électriques (coulomb)

L'unité de mesure de la charge électrique est le coulomb (C).

Lorsqu'un objet est chargé électriquement, c'est qu'il est en surplus ou en déficit d'électrons. Pour connaître la charge exacte d'un objet, il suffirait de compter le nombre d'électrons mis en jeu lors d'un transfert. Toutefois, comme il est impossible de dénombrer un à un les électrons de par leur petite taille, les scientifiques les ont regroupés pour en faire des unités de charges. Ainsi, un coulomb correspond à la charge totale d'un groupe de |6,25 \times 10^{18}| électrons ou protons, puisque ces deux particules portent la même charge même si elles sont de signes contraires.

Le champ électrique

Les types de matériaux en fonction de la conductibilité électrique

La conductibilité électrique est une propriété physique qui décrit la capacité d'une substance à laisser circuler des charges électriques.

D'après leur conductibilité électrique, on distingue quatre types de substances.

  • Un isolant électrique est une substance à l'intérieur de laquelle les charges électriques ne peuvent pas se déplacer. Une petite surface de ce type de substance peut toutefois être temporairement chargée par frottement. Le caoutchouc, la céramique ou la laine sont des exemples d'isolants électriques.

  • Un conducteur électrique est une substance dans laquelle les charges électriques peuvent facilement se déplacer. Ainsi, lors de l'électrisation de ce type de substance, les charges en surplus se répartissent dans tout l'objet et non pas dans une partie. Les métaux, comme le cuivre ou l'or, sont des conducteurs électriques.

  • Un semi-conducteur est un mauvais conducteur électrique: les charges peuvent difficilement s'y déplacer. On les utilise généralement pour ralentir le courant dans un circuit électrique. Le silicium utilisé pour l'électronique est une substance semi-conductrice.

  • Un supraconducteur est une substance qui n'oppose aucune résistance à la circulation des charges électriques. Pour parvenir à ce résultat, il est généralement nécessaire de refroidir les substances à de très basses températures, souvent inférieures à -100°C. 

La conductibilité électrique

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