« Électrostatique » : différence entre les versions
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====Introduction====
L'électrostatique est la partie de l'électricité qui traite des phénomènes où des charges immobiles
agissent. Lorsque les charges sont en mouvement, on parle soit d'électrocinétique (voir \ref{électrocinétique}) ou d'électromagnétisme (voir \ref{magnétisme}).
==== Loi de Coulomb ====
===== Charge électrique =====
Le modèle explicatif que la science a retenu pour expliquer les interactions électriques est celui de Benjamin Franklin. Celui-ci avait une théorie de la vie très particulière. Il disait que la vie
est toujours faite d'évènements positifs et négatifs. Il avait remarqué que les événements positifs, comme les évènements négatifs d'ailleurs, ne se suivent généralement pas. C'est comme s'ils se repoussaient. Alors qu'après tout évènement négatif (respectivement positif) vient inévitablement un évènement positif (respectivement négatif). Par ailleurs, mais peut-être vous y attendiez-vous, la somme des évènements positifs et négatifs sur une vie entière est globalement neutre.
Poursuivant cette théorie, Franklin distingue au sein de la matière des particules positives et négatives. Les particules de même nature (positives ou négatives) se repoussent entre elles. Par contre, les particules de nature différentes s'attirent. Ainsi, une particule positive attire une particule négative. Alors que, par exemple, deux particules négatives se repoussent. Par ailleurs, une matière dans laquelle se trouve autant de particules négatives que de positives est dite neutre.
Cette théorie est à la base de la compréhension actuelle des interactions électriques.
===== Pendule électrique =====
====== Description de l'expérience ======
On frotte une tige en plastique (du PVC) avec une peau de chat\index{peau de chat}. Puis, on approche cette tige d'une petite boule en aluminium suspendue à un fil de polyester.
Dans un premier temps, la petite boule est attirée par la tige. Puis un bref instant, elle se colle à elle. Enfin, elle est violemment repoussée.
Un autre comportement possible est, en premier lieu, une attraction. Puis, comme précédemment, la boule touche la tige, mais ensuite, elle y reste collée.
====== Explications ======
L'attraction s'explique par une polarisation de la boule (préalablement neutre). Les charges positives et négatives, présentes en même quantité dans la boule neutre, se séparent. Si, par exemple, la tige est chargée négativement, les charges positives de la boule sont attirées et se rapprochent de la tige alors que les négatives s'en éloignent. On dit alors que la boule est polarisée (elle contient deux pôles : positifs et négatifs). Or, même si les deux groupes de charges contiennent le même nombre de particules (donc la même charge, puisque la boule est globalement toujours neutre), ceux-ci ne sont pas attirés de la même manière par la tige. En effet, l'expérience montrant une attraction, on ne peut que l'expliquer par la présence d'une force d'attraction (entre les charges négatives de la tige et les positives de la boule) plus forte que celle de répulsion (entre les charges négatives de la tige et les négatives de la boule). Comme les deux groupes de charges contiennent le même nombre de charges, donc la même charge (au signe près), on ne peut attribuer la différence d'intensité de la force qu'à la distance entre les charges. En effet, les charges positives de la boule sont plus près des négatives de la tige que ne le sont les charges
négatives. On doit aussi supposer que le signe des charges n'intervient pas dans l'intensité de la force électrique. Celui-ci ne sera responsable que du caractère attractif ou répulsif de celle-ci.
Ainsi, en approchant la tige de la boule, la polarisation induit une différence de distance entre les types de charges, ce qui produit une attraction plus forte que la répulsion. Cette attraction
se produit tant qu'on approche la tige (si on retire la tige, la polarisation des charges diminue en même temps que la force d'attraction, pour s'annuler quand la polarisation cesse et que les charges se retrouvent totalement mélangées).
La boule attirée par la tige peut venir la toucher. Alors deux phénomènes peuvent se produire.
Si la tige est fortement chargée, il y a dans le bâton beaucoup de charges négatives sur le lieu du contact. Plus précisément, il y en a assez pour annuler les charges positives de la boule. La polarisation disparaît puisqu'il n'y a alors plus en présence que des charges négatives (dans la boule et dans le bâton). Une violente répulsion s'en suit.
Si la tige est faiblement chargée, il y a dans le bâton peu de charges négatives sur le lieu du contact. Il peut ne pas y en avoir assez pour annuler les charges positives de la boule. Ainsi,
il peut rester un nombre non négligeable de charges positives dans la boule, encore attirées par les négatives des la tige. La différence de distance impliquant toujours une force d'attraction plus importante que celle de répulsion, la boule reste collée au bâton.
===== Isolants =====
Le second comportement de l'expérience du pendule précédemment décrite (voir \ref{pendule}) est intéressant à un autre titre. En effet, il n'est possible que parce que les charges du bâton ne peuvent se déplacer sur celui-ci. Sinon, des charges négatives éloignées du point de contact avec la boule viendraient annuler les charges positives et, dans tout les cas, une violente répulsion se produirait. Cela marque le fait que le bâton en plastique ne permet pas aux charges de se déplacer. On le dit isolant.
Un isolant est donc une matière qui ne permet pas aux charges de se déplacer. Par opposition, un conducteur permet aux charges de se déplacer librement. Les conducteurs parfaits, qui permettent aux charges de se déplacer sans aucune contraintes, sont appelés supra-conducteurs. Pour les conducteurs qui ne sont pas parfaits, on peut définir une grandeur qui représente la résistance de la matière au passage des charges (voir \ref{résistance}).Van der Graaf
===== L'électroscope =====
====== Description de l'expérience ======
Un électroscope est un appareil entièrement métallique supportant une aiguille pivotant sur un axe et surmonté d'un plateau circulaire. Le tout est isolé du sol par un morceau de plastique (voir figure 2.1).
Lorsqu'on approche du plateau un bâton chargé, l'aiguille monte. Si on éloigne le bâton, elle redescend.
Si on touche le plateau avec le bâton, l'aiguille reste écartée du support.
Si on touche plusieurs fois le plateau avec un bâton chargé, l'aiguille monte progressivement de plus en plus haut.
Si, après avoir touché l'électroscope avec un bâton chargé en plastique et que l'aiguille soit montée, on le touche à nouveau avec un bâton chargé, mais en verre cette fois-ci, l'aiguille redescend.
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|[[Image:ElectroscopeSimple.png|150px|center|frame|Figure 2.1 - L'électroscope]]
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====== Explications ======
En approchant un bâton chargé négativement, on polarise l'électroscope (au préalable neutre). Le plateau se charge positivement (par influence attractive) et la tige de soutien ainsi que l'aiguille
qui lui est attachée se chargent négativement et ainsi se repoussent faisant monter l'aiguille. Lorsqu'on retire le bâton, l'électroscope se dépolarise et l'aiguille redescend.
Si on touche le plateau avec le bâton, on permet aux charges de celui-ci de passer sur l'électroscope et ainsi de le charger uniformément. Le plateau, le montant et l'aiguille ont donc la même charge acquise par contact. Cette charge reste sur l'électroscope et peut augmenter si on amène des charges avec un autre bâton chargé.
Si, par contre, on amène des charges de signe opposé, en touchant avec un bâton chargé positivement en verre par exemple, on "annule" les charges négatives déposées précédemment et l'aiguille redescend.
===== La machine de Van der Graaf =====
====== Description de l'expérience ======
A l'aide d'un ruban soumis à un frottement, on amène des charges sur une boite métallique isolée du sol par deux supports en plastique (voir figure 2.2). Le fait que le ruban soit entraîné par
un moteur et que le frottement soit continu, permet d'amener beaucoup de charges sur la boite. On peut mettre en contact de la boite une personne par ailleurs isolée du sol. Les cheveux de celle-ci s'écartent alors les uns des autre à la manière des picots d'un oursin.
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|[[Image:MachineVanDerGraff.png|150px|center|frame|Figure 2.2 - La machine de Van der Graff]]
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====== Explications ======
Un générateur haute tension (voir plus loin) amène des charges positives sur un peigne placé à proximité d'un ruban isolant en rotation autour de deux axes. Ce peigne transfert des charges positives au ruban. Ces charges sont alors amenées, par la rotation du ruban, à l'intérieur d'une cage métallique où, par influence elles attirent les charges négatives de celle-ci vers l'intérieur et repoussent les positives à l'extérieur. On obtient donc une cage métallique chargée positivement à sa surface. En effet, la partie intérieure est déchargée par un autre peigne qui part de celle-ci et va récolter les charges positives à proximité du ruban. Ainsi déchargé, le ruban retourne alors vers le premier peigne et le cycle recommence. La charge de la cage augmente donc progressivement jusqu'au moment où elle perds autant de charges dans l'air qu'elle n'en "reçoit" du ruban.
On peut alors faire toucher la cage par une personne isolée du sol. Les charges se répartissent ainsi dans tout le corps de la personne. Elles sont de même signe et donc se repoussent. Ainsi chargés de manière identique, les cheveux se repoussent les uns les autres et la répartition qui permet à chaque charge d'être la plus éloignée possible des autres est celle qui est semblable à la position des picots d'un oursin (voir figure 2.3).
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|[[Image:CheveuxDresses.png|150px|center|frame|Figure 2.3 - Les cheveux dressés sur la tête.]]
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===== La machine de Wimshurst =====
C'est l'une des machines les plus connues (voir figure \ref{wimshurst}). Son fonctionnement est complexe. On ne peut l'aborder dans toute son étendue ici. Disons en substance qu'un frottement, puis une séparation des charges sur deux disques tournant en sens inverse, permet d'envoyer des charges positives et négatives dans deux bouteilles de Leyde (c'est-à-dire des condensateurs, des
accumulateurs de charges) différentes. Puis ces charges sont amenées à l'extrémité de deux tiges métalliques que l'on rapproche progressivement. Il se produit alors des décharges se manifestant par de petits éclairs. On peut montrer qu'un transfert de matière a lieu en plaçant une feuille de papier sur le chemin de la décharge. La feuille est alors percée de petits trous traduisant le passage des électrons.
[[Image:MachineWimshurst.png|center|frame|Figure 2.4 - La machine de Wimshurst]]
===== La foudre =====
Manifestement le phénomène est d'origine électrostatique. Il existe aujourd'hui beaucoup de théories tentant d'expliquer la séparation des charges dans un nuage d'orage. Aucune, cependant, ne suffit à expliquer entièrement le phénomène. Cependant, toutes ces théories se basent sur la séparation des charges en raison des courants dans le nuage. Les porteurs de charges positives seraient assez léger pour s'élever jusqu'au sommet du nuage et ceux qui portent les charges négatives assez lourd pour s'accumuler dans la base du nuage. Ainsi, par influence le sol se charge positivement et une tension électrique apparaît entre celui-ci et la base du nuage. Des décharges, les éclairs, peuvent alors se produire.
Figure : les trajets de la foudre
Figure : le précurseur
La foudre ne fait pas que descendre du nuage, mais monte aussi du sol. De toute aspérité peut en effet monter un précurseur qui peut relier le sol au nuage. Les objets pointus sont des endroits privilégiés pour ces précurseurs, car à proximité des pointes le champ électrique est fort. C'est pourquoi les paratonnerres sont pointus.
===== Conservation de la charge et charge élémentaire =====
Dans tous les phénomènes décrits ci-dessus, jamais aucune charge ne disparaît. Elles ne font que se déplacer sur différents corps. De manière plus fondamentale, on peut montrer que la charge totale d'un système fermé est conservée. Ainsi dans un processus aussi compliqué qu'une désintégration radioactive où un neutron se transforme
en un proton, on a :
<math>n \rightarrow p+e^{-}+\overline{\nu}</math>
<math>(0) = (+e)+(-e)+(0)</math>
Un neutron, de charge nulle, se décompose en un proton, de charge +e, un électron, de charge -e et un anti-neutrino de charge nulle. Au total, la charge du neutron (nulle) est égale à la charge
totale des particules issues de la désintégration.
La charge est une propriété de la matière, au même titre que sa masse. Ainsi, parler d'une charge pour
parler d'une particule chargée, c'est faire le même raccourci qu'en parlant d'une masse pour parler d'un objet ayant une masse. Toute matière est donc affectée de cette propriété, d'une charge. Ainsi, dire qu'un objet n'est pas chargé c'est dire en réalité que sa charge est nulle. De nos jours, on sait que le neutron n'a pas de charge et que l'électron et le proton ont la même charge. Celle-ci a longtemps été considérée comme la plus petite charge existante, la charge élémentaire, notée e. Par rapport à la définition de l'unité de charge du système international : le coulomb, noté C, on a que :
<math>e=q_{proton}=-q_{\acute electron}=1,6022\cdot 10^{-19}C</math>
De nos jours, on sait que les quarks, éléments composants les protons et les neutrons, ont une charge inférieure à la charge élémentaire. Cependant, comme jusqu'à présent on a jamais pu isoler un quark, on peut dire que la charge élémentaire est la plus petite charge d'une particule isolée. Mais cet état de fait peut changer à l'avenir.
===== Loi de Coulomb =====
La loi de Coulomb est une loi de force. Elle établit une relation de force entre deux charges par l'intermédiaire de la distance. Nous avons vu précédemment que l'attraction d'un pendule conducteur neutre par une tige isolante chargée s'explique par le fait qu'à l'intérieur du pendule se crée une polarisation des charges impliquant que chaque type de charge se trouve à une distance différente de la tige. La constatation de l'attraction du pendule oblige alors à supposer une force fonction de la distance. Plus même, cette force doit être inversement proportionnelle à une fonction de la distance pour qu'il y ait attraction.
Figure : balance de Coulomb
Coulomb a étudié cette force dans le détail. Pour cela, il a mis au point une balance (voir figure ci-dessus) permettant de mesurer la force exercée par une charge sur une autre au moyen d'un petit pendule de torsion, une tige horizontale isolante munie à chacune de ses extrémités d'une petite boule métallique chargée et attachée en son milieu par un fin fil de suspension vertical. A l'approche d'une charge extérieure chargée, ce pendule tournait d'un angle déterminé en ramenant le pendule dans sa position originale par torsion du fil vertical. Connaissan la force nécessaire pour tordre ce fil d'un tel angle, il déduisit l'expression de la force électrique en fonction des charges en présence et de la distance qui les séparait.
L'expression de la force qu'il découvrit alors est la suivante :
==== Champ électrique ====
[[Catégorie:Physique]]
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