Points essentiels Historique; Manifestation de l électricité; La charge électrique; Modèle atomique (introduction); La loi de Coulomb; Conducteurs et isolants; Électrisation; Le champ électrique Historique Un peu d histoire Le Québec La Grèce Les premières notions concernant l électricité remontent à l Antiquité mais il faut attendre jusqu au 19 e siècle avant que ce sujet soit étudié en profondeur. L ambre, cette petite pierre jaune et translucide, est de la résine fossilisée! On y retrouve parfois des insectes qui vivaient dans l environnement, il y a plusieurs millions d années... Le film Le Parc Jurassique a rendu cette petite pierre très célèbre! Manifestation de l électricité Manifestation de l électricité (suite) morceaux de pailles bâtonnet d ambre ( ambre ou ελεκτρον signifie électron ) Ce phénomène porte le nom d électricité statique et il nécessite la friction d un objet sur un autre pour se révéler à nos yeux. De nos jours, on peut reproduire ce phénomène en peignant ses cheveux lorsque l air est sec... La friction du peigne arrache les électrons des cheveux... 1
Manifestation de l électricité (suite)...le peigne est alors chargé négativement et va attirer facilement de petits morceaux de papiers! Cela suppose qu en l absence de friction, les corps (peigne et cheveux) sont électriquement neutres. Il doit donc y avoir autant de charges positives que négatives! La charge électrique Propriété fondamentale de la matière présent dans toute la matière La charge électrique n existe qu en quantités discrètes (elle est quantifiée) Seulement deux types de charges existent charge (protons) charge (électrons) Atomes Neutres vs. Ionisés 8 p 8e = atome neutre 8 p 7e = atome ionisé Atome neutre #p = #e Sans charge électrique Ionisation processus qui arrache ou donne un électron à un atome» #p #e ion atome chargé La charge électrique (suite) Objet chargé # d électrons # de protons Charge nette Excès de charges sur un objet Somme algébrique des e et des p [55 000] [78 000] = charge nette = 3 000 nette = Unité de charge Le coulomb (C) mesure du nombre de charges positives ou négatives présentes proton: q = 1,6 x 10 19 C m = 1,67 x 10 7 kg électron: q = 1,6 x 10 19 C neutron: q = 0 C m = 9,11 x 10 31 kg m = 1,68 x 10 7 kg La loi de Coulomb Avec l aide d une balance à torsion, Charles Auguste Coulomb établit expérimentalement que: la force de répulsion qui s exerce entre deux sphères chargées ( même nature) est proportionnelle au produit des charges; la force de répulsion qui s exerce entre deux sphères chargées ( même nature) est inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare; observation d un phénomène d attraction pour deux charges contraires et de répulsion pour des charges identiques (même nature).
La loi de Coulomb (suite) Soit: et F1 = k q1 q r où k = 9 x 10 9 N m /C, q 1 et q = la charge en Coulomb, r = la distance entre les charges en mètres Remarque: Soit exactement 100 ans plus tard que Newton: Fg = G m1 m r Ionisation d un atome Les électrons d un atome sont répartis en couches, en commençant par les couches les plus rapprochées du noyau. Les atomes ionisés ont perdu un électron de la dernière couche (électron de valence) Couche K L M N Nombre Max 8 18 3 Conducteurs et isolants conducteurs substance qui laissent les charges circuler librement (métaux, solutions ioniques). isolants substance qui ne laissent pas les charges circuler librement (bois, soie, verre). Semiconducteurs Lorsqu ils sont très purs, les semiconducteurs se comportent comme des isolants, mais en leur ajoutant certaines impuretés, on arrive à modifier leur pouvoir conducteur (silicium, carbone, germanium). Polarisation Les électrons libres peuvent facilement voyager à l intérieur d un conducteur. Si on approche une tige de verre électrisée positivement près de ce conducteur, le nuage d électrons libres se déplacera sur la sphère vers la tige positive. La sphère demeure neutre électriquement (charge nette = 0) même si un côté de la sphère est alors occupée par une concentration d électrons en excès, et l autre côté manque d électrons. On dit alors que la sphère conductrice est polarisée. Méthodes d électrisation Électrisation: Processus qui nous permet de charger électriquement un objet 1 Électrisation des isolants par frottement Le frottement de matériaux isolants avec un tissu est la seule façon de les électriser. Méthodes d électrisation (suite) Électrisation des conducteurs par contact Si on met une tige de verre électrisée en contact avec une sphère de métal neutre placée sur un support isolant, la sphère se polarise à l approche de la tige de verre et des électrons seront arrachés au conducteur lors du contact avec la tige. En retirant ensuite la tige, la sphère conductrice ayant perdu des électrons possède alors une charge positive en surplus qui se répartit symétriquement sur sa surface Animation 3
Méthodes d électrisation (suite) 3 Électrisation des conducteurs par induction On peut injecter une charge électrique à un conducteur isolé même si l on ne le met pas en contact avec une tige isolante chargée! Le champ électrique Une charge électrique produit un champ électrique «E» partout dans l espace et ce champ exerce une force sur une autre charge. Tous les champs sont des intermédiaires des forces s exerçant entre deux objets. Les champs sont présents dans tous les milieux, y compris l espace vide! Animation Comment calculer le champ électrique Comme chacune des forces est proportionnelle à q 0, alors on définit le champ électrique E en un point P par: F kq E = = q r Unités: Dans le système internationale: N/C. Exemple 1 Lorsqu une charge test de 5 nc est placée à une certaine position, on remarque qu elle subit une force de 0, mn dans la direction x. Déterminez le vecteur champ électrique à ce point. r r 104 E = F = = 4 104 N selon x q 5 109 C 0 Remarque: Le champ électrique est un vecteur et obéit au principe de superposition. Champ électrique autour d une charge ponctuelle positive Champ électrique autour d une charge ponctuelle négative Q Toutes les lignes partent d une charge positive (à l infini) pour se terminer sur la charge négative. 4
Le champ électrique uniforme d E r Exercices suggérés 101, 103, 105, 106, 107 et 108. Soit un ensemble de plaques métalliques identiques, l une chargée positivement, l autre chargée négativement, placées à une faible distance «d» entre elles. Il existe alors entre ces deux plaques un champ électrique uniforme, c estàdire de grandeur constante, orienté perpendiculairement à la surface de ces deux plaques. 5