Points essentiels Historique Manifestation de l`électricité

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
Le Québec
Un peu d’histoire
La Grèce
Les premières notions concernant l’électricité remontent à l’Antiquité
mais il faut attendre jusqu’au 19e siècle avant que ce sujet soit
étudié en profondeur.
Manifestation de l’électricité
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 (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)
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
...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!
Atomes Neutres vs. Ionisés
• charge +
• charge -
(protons)
(électrons)
La charge électrique (suite)
8 p+ + 8e- = atome neutre
Atome neutre
– #p+ = #e–
8 p+ + 7e- = atome ionisé
Sans charge électrique
Ionisation -- processus qui
arrache ou donne un électron à
un atome --» #p+ ≠ #eion – atome chargé
• 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 = +23 000
-+ - + +- + - + - +- + + -++- + - + -+ -+ + - + -+ + +
+ - - - - - -+ ++ - -+ -+- + - +- +
- + - +
nette =
La loi de Coulomb
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 10-27 kg
électron: q = -1,6 x 10-19 C
m = 9,11 x 10-31 kg
neutron:
m = 1,68 x 10-27 kg
q=0C
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).
2
La loi de Coulomb (suite)
F =kq q
r2
Soit:
12
où
1
Ionisation d’un atome
2
k = 9 x 109 N m2/C2,
q1 et q2 = la charge en Coulomb,
et
r = la distance entre les charges en mètres
Remarque: Soit exactement 100 ans plus tard que Newton:
F = Gm m
r2
g
1
2
• 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)
Conducteurs et isolants
• isolants
Nombre Max
2
8
18
32
Polarisation
• conducteurs
– substance qui laissent les charges circuler
librement (métaux, solutions ioniques).
Couche
K
L
M
N
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.
– substance qui ne laissent pas les charges
circuler librement (bois, soie, verre).
Semi-conducteurs
– Lorsqu’ils sont très purs, les semi-conducteurs
se comportent comme des isolants, mais en leur
ajoutant certaines impuretés, on arrive à
modifier leur pouvoir conducteur (silicium,
carbone, germanium).
Méthodes d’électrisation
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 (suite)
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.
2- 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 q0, alors on définit
le champ électrique E en un point P par:
E=
Exemple 1
Lorsqu’une charge test de +5 nC est placée à une certaine position,
on remarque qu’elle subit une force de 0,2 mN dans la direction x.
Déterminez le vecteur champ électrique à ce point.
F kQ
=
q r2
r 2 × 10-4
r
E= F =
= 4 × 104 N selon x
C
q0 5 × 10-9
Unités: Dans le système internationale: N/C.
Remarque: Le champ électrique est un vecteur et obéit au principe
de superposition.
Champ électrique autour
d ’une charge ponctuelle négative
Champ électrique autour
d’une charge ponctuelle positive
Q
qo
qo
qo
Toutes les lignes partent d ’une charge positive (à l ’infini)
pour se terminer sur la charge négative.
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Le champ électrique uniforme
Exercices suggérés
+ + + + + + + + + + + + + + +
d
r
E
1201, 1203, 1205, 1206, 1207 et 1208.
- - - - - - - - - - - - - - - - - - Soit un ensemble de 2 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’est-à-dire de grandeur
constante, orienté perpendiculairement à la surface de ces deux
plaques.
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