[PDF] Chapitre 11a – La charge électrique

Physique 2 : Électricité et magnétisme édition)

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Support : BENSON Harris, Physique Tome 2 Electricité et Magnétisme et Tome 3 Ondes-Optique et Physique Moderne, Traduction française, De Boeck Université La version anglaise du même ouvrage pourra être utilisée avec profit par les étudiants soucieux d'approfondir leur connaissance en anglais Cycle et année d'étude: :

Chapitre 11a – La charge électrique

Référence : Marc Séguin, Physique XXI Tome B Page 2 Note de cours rédigée par Simon Vézina La charge électrique La charge électrique est la propriété de la matière qui produit les phénomènes électricité et magnétisme L’unité utilisée pour mesurer la charge électrique est le coulomb (symbole : C) Toutes

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147 physique 2 électricité et magnétisme 4édition Benson 537 023 148 physique 2 électricité et magnétisme 4édition Benson 537 024 149 physique 3 ondes optique et physique moderne : solutions et corrigé des problèmes hecht, Eugene 530 058 150 Physique 3 Ondes, optique et physique moderne : avec 1142 exercices corrigés hecht, Eugene

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Référence : Marc Séguin, Physique XXI Tome B Page 1

Note de cours rédigée par Simon Vézina

Chapitre 1.1a - La charge électrique

L'électromagnétisme

L' électromagnétisme est la branche de la physique qui étudie l'interaction des particules dotées d'une charge électrique et de l'évolution du champ électromagnétique qu'elles génèrent. C'est la branche de la physique qui est jusqu'à présent la mieux comprise par la communauté physicienne. Bien que l'électromagnétisme ne soit qu'une seule théorie à part entière, elle est habituellement étudiée en deux parties : l'électricité et le magnétisme.

Une aurore boréale est un phénomène

électromagnétique

Pourquoi l'électromagnétisme

L'étude de l'électromagnétisme est très importante en physique, car l'électricité et le magnétisme sont

présents dans presque tous les phénomènes qui nous entourent.

Le magnétisme

Structure des

matériaux Interaction entre les objets Liaison chimiques

Boussole

Ressort

1nv 2nv

Force normale

Liaison C-N

Pile électrochimique

et batterie Transport d'énergie Télécommunication Outils de tous les jours

Batterie de voiture

Ligne électrique

Téléphone cellulaire

Voiture

Corps humain et le

système nerveux Instruments médicaux Lumière Espace-temps

Moelle épinière

Scanneur

Laser

Relativité générale

Référence : Marc Séguin, Physique XXI Tome B Page 2

Note de cours rédigée par Simon Vézina

La charge électrique

La charge électrique est la propriété de la matière qui produit les phénomènes électricité et

magnétisme. L'unité utilisée pour mesurer la charge électrique est le coulomb (symbole : C). Toutes

les particules qui possèdent une charge électrique peuvent subir des forces électriques et peuvent subir

également des forces magnétiques si elles sont en mouvement.

Notation mathématique : charge

q=

Unité (coulomb) :

[]C=q

L'atome

Un atome est un regroupement de particules élémentaires habituellement neutre électriquement. Un

regroupement d'atomes permet à l'aide de l'interaction électrique de construire des molécules, des

cellules, des minéraux et d'autres structures complexes. Puisque les objets de tous les jours sont

composés d'un très grand nombre d'atomes qui eux sont constitués de particules chargées, analysons la

composition générale d'un atome :

Particule

découvertes Symbole Charge (C)

Localisation

dans un atome Rayon (m) Masse (kg) Électron -e - e Orbitale m10118-×<< kg1011,931-× Proton +p + e Noyau m10861,015-× kg10672,127-×

Neutron n 0 Noyau m10115-×≈ kg10674,1

27-×

Photon γ 0 ----- non défini kg0

Muon -μ - e ----- inconnu kg1088,128-×

Atome : (échelle nanoscopique) (Charge élémentaire : C106,11

19-×=e)

Taille de l'atome : m1010-≈

Taille du noyau : m10

15-≈

Masse du noyau : %97,99

≈ masse de l'atome

Comparaison des tailles :

Si l'atome avait la taille du stade

Olympique, le noyau aurait la taille d'un

ballon de basket-ball. Noyau : Zone centrale de l'atome où sont situés les protons et les neutrons. Orbitale : Zone de probabilité de présence d'un électron voyageant autour du noyau.

Atome : Structure composée de %9999,99

≈de vide où le volume est défini comme étant une probabilité non nulle d'entrer en interaction/collision avec une particule de l'atome. Référence : Marc Séguin, Physique XXI Tome B Page 3

Note de cours rédigée par Simon Vézina

Deux signes aux charges et deux interactions

Puisque la charge électrique peut subir une interaction d'attraction et de répulsion, on utilise le signe

positif (+) et le signe négatif (-) pour désigner les deux types de charges :

Particules

élémentaires

Attraction charges de

signes opposés Répulsion charges de signes semblables q = -e q = +e

électron

proton neutron q = 0 Fe F Fe

F q < 0 q > 0

Fe F Fe

F q > 0 q > 0

Fe F Fe

F q < 0 q < 0

La quantification de la charge

Comme le propose le modèle standard1, le proton et les électrons possèdent respectivement une charge

e et une charge -e. Puisque les objets qui nous entourent sont uniquement composés de ces particules

chargées, alors la charge nette d'un objet se doit d'être un multiple entier de la charge élémentaire

e et la charge est ainsi quantifiée : ()NeeNNq±=-=-+ où q : Charge totale de l'objet en coulomb (C) e : Charge élémentaire, C10602,119-×=e ( C10565176602,119-×=e) +N : Nombre de charges positives (ex : protons) -N : Nombre de charges négative (ex : électrons) N : Nombre de charges excédentaires (-+-=NNN)

Exemple de non quantification :

Nee≠=253,41972426nC1

Conservation de la charge

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.

Ionisation du sel dans l'eau

(réaction chimique)

Neutronisation dans une étoile à neutron

(réation nucléaire) ion de sodium + ion clore sel Na + + Cl - NaCl (+e) + (-e) (0) électron + proton neutron + neutrinos e - + p + n + νe (-e) + (+e) (0) + (0) La conservation de la charge peut se généraliser par l'équation suivante : ∑∑=finaleinitialeqq où initialeq : Charge avant la réaction (C) finaleq : Charge après la réaction (C)

1 Le modèle standard est une théorie des particules basée sur les lois de la mécanique quantique.

Référence : Marc Séguin, Physique XXI Tome B Page 4

Note de cours rédigée par Simon Vézina

Comment un noyau peut-il exister ?

Un atome est constitué d'un noyau central regroupant des protons et des neutrons entouré par un nuage

d'électron. Puisque les charges semblables se repoussent, Comment un noyau peut-il exister et être stable si les protons qui le constituent se repoussent entre eux ? Pour répondre à cette question, il faut faire intervenir une nouvelle force : la force nucléaire. Dans le Modèle Standard de la physique des particules, il existe quatre forces fondamentales. Ces forces s'appliquent entre les particules via des particules d'échange. C'est de cette façon que les particules peuvent " communiquer » entre elles et faire preuve de leur présence autour d'elles pour ainsi appliquer les interactions :

Représentation

très schématisée d'un atome neutre

Type de force Particule d'échange Interaction

Gravitationnelle

• graviton (non observé) Interaction de la masse (les masses s'attirent)

Électromagnétique

• photon Interaction de la charge électrique (les charges s'attirent ou se repoussent)

Force faible

• bosons +W, -W et 0Z boson de Higgs 0H Interaction de la saveur (désintégration des particules)

Force forte ou nucléaire

• gluon( ex : +π,0π-π) Interaction de la couleur (attraction des quarks)

Puisque les protons et les neutrons sont constitués de quarks, ils sont sujets à subir des forces

nucléaires . Un noyau atomique est stable2 lorsque la force nucléaire entre les protons et les neutrons est supérieure à la force électrique de répulsion entre les protons (

électriquenucléaireff>).

Les électrons n'ont aucune influence sur la stabilité du noyau. Ils sont responsables de la stabilité

des molécules (partage d'électron de valence et liaison chimique) et permettent un transport

d'énergie dans des structures conductrice (courant électrique).

2 Selon les modèles théoriques, le dernier atome stable est l'uranium 92. Puisque cet atome est constitué de 92 protons et

entre 141 à 146 neutrons (les différents isotopes), la distance élevée entre les protons et les neutrons nuit à la force nucléaire

qui possède une portée limité. Ainsi, la force électrique surpasse la force nucléaire ce qui rend le noyau instable.

Référence : Marc Séguin, Physique XXI Tome B Page 5

Note de cours rédigée par Simon Vézina

Les grandeurs de la physique en électricité et magnétisme

Dans le cours d'électricité et magnétisme, vous serez invités à étudier les différentes grandeurs

physiques suivantes :

En mécanique

• La vitesse vv en mètre par seconde et vitesse angulaire

ω en radian par seconde :

[ ]s m=vv et [ ]s rad=ω • L'accélération aven mètre par seconde carrée et l'accélération angulaire

α en radian

par seconde carrée : [ ]2s m=av et [ ]2s rad=α

La force Fven newton :

[]2s mkgN?==Fv

Le champ gravitationnel gv en newton par

kilogramme : [ ]2sm kgN==g v

L'énergie Een joule :

[ ]22s mkgJ?==E • La puissance P en watt : [ ]32s mkgW?==P

La quantité de mouvement pv en kilogramme

mètre par seconde : [ ]s mkg?=pv

Le moment de force τv en newton-mètre :

[ ]22s mkgmN?=?=τv

Le moment d'inertie I en kilogramme mètre

carré : []2mkg?=I

Le moment cinétique Lv en kilogramme mètre

carré par seconde : [ ]s mkg2?=Lv

En électricité et magnétisme

• Le courant I en ampère : [ ]s CA==I

Le potentiel électrique V en volt :

[ ]22sC mkg C JV ?===V

La résistance R en ohm :

[ ]sC mkg A V 22?
?==Ω=R

La capacité C en farad :

[ ]222mkgsC

VCF??===C

L'inductance L en henry :

[ ]22C mkg A sVH?=?==L •

Le champ électrique Ev en newton par

coulomb : []2sC mkg C N ?==Ev

Le champ magnétique Bv en tesla :

[]sC kg mC sNT?=??==Bv Le flux électrique eΦ en newton mètre carré par coulomb : [ ]232 esC mkg C mN

Le flux magnétique mΦ en weber :

[ ]sC mkgwb2 m Référence : Marc Séguin, Physique XXI Tome B Page 6

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Référence : Marc Séguin, Physique XXI Tome B Page 7

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Référence : Marc Séguin, Physique XXI Tome B Page 8

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