1 Charges et matièr..

Chap 1  : LES PARTICULES ELEMENTAIRES 1ère S
I] Les charges électriques.
Les XP d'électrisation montrent qu' 2 espèces de charges électriques : celles qui apparaissent sur le verre frotté avec du drap,
nommées charges + et celles qui apparaissent sur l'ébonite frottée avec de la fourrure, nommées charges –. Voir livret Web Sciences.
Des charges électriques de même nature ou signe se repoussent.
Des charges électriques de signes contraires s'attirent.
Un objet possédant autant des charges + que de charges – est dit électriquement neutre.
Dans le système international, une charge électrique notée q se mesure en coulomb (C). 1 A = 1 C / s.
La charge électrique portée par une particule ne peut prendre que des valeurs multiples de e = 1,6  10–19 C.
Principe de conservation : la charge électrique totale d'un système isolé (coupé du reste de l'univers) est constante.
II] Les particules élémentaires. (femto, pico, nano, micro, milli, centi, déci, déca, hecto, kilo, méga, giga, téra).
1) L'électron : Constituant du nuage électronique qe = - e = - 1,6  10-19 C. me = 9,11  10-31 kg.
2) Le proton : Constituant du noyau atomique qp = e = 1,6  10-19 C. mp = 1,673  10-27 kg. r = 1,2 fm.
3) Le neutron : Constituant du noyau atomique qn = 0 C. mn = 1,675  10-27 kg.
III] La matière.
1) Noyau et interaction forte.
On représente le noyau d'un atome par le symbole ZAX. Le noyau comporte Z protons et N neutrons, soit en tout A nucléons.
A = Z + N.
Protons et neutrons sont liés entre eux par des forces nucléaires attractives qui constituent l'interaction forte (rien à voir avec les
forces gravitationnelles ou les forces électrostatiques). Elle porte à très courte d = 1,2 fm environ et devient répulsive si d  0,3 fm.
2) Charge, dimension et densité du noyau.
La charge électrique du noyau est égale à la somme des charges des protons : q noyau = Z.e.
Le volume V0 d'un nucléon est celui d'une sphère de rayon r0 = 1,2 fm. V0 = 4/3   r03.
Le volume du noyau : V = A  V0. On peut aussi assimiler le noyau à une sphère de rayon r.
V = A  V0 = A  4/3   r03 = 4/3   r3  A  r03 = r3  r = r0  A1/3.
La masse m d'un noyau est peu différente de la somme des masses des nucléons qui le constituent : m = A  m0. Sa masse volumique
est  = m / V = A.m0 / (A.V0) = m0 / V0 = 1,673  10-27 / (4/3   (1,2  10-15)3) = 2,31  1017 kg / m3. La masse volumique de la
matière nucléaire est colossale : plus de 230.000 tonnes / mm3. Les étoiles à neutrons ont des densités qui atteignent cette valeur.
3) L'atome et l'interaction électromagnétique.
Les forces électriques qui agissent entre le noyau d'un atome et les électrons du cortège environnant constituent l'interaction
électromagnétique. Cette interaction de longue portée est responsable de la cohésion de l'atome et de la stabilité des molécules ou des
objets qui nous entourent.
4) Les isotopes.
On appelle isotopes, des atomes ayant le même nombre de protons mais des nombres de neutrons . Ex: 23592U; 23892U; 23992U sont
trois isotopes de l'uranium. (Iso = même et tope = position ou place).
IV] Conducteurs électriques et isolants.
♦ Métaux : en moyenne un e- par atome est libre. On peut donc considérer un métal comme formé d'un réseau de cations dans
lequel les e- libres peuvent se déplacer. Envisager un schéma.
♦ Les électrolytes : il s'agit de solutions contenant des espèces ioniques (cations ou anions) mobiles.
♦ Les isolants : ils sont formés d'atomes, molécules ou ions occupant une position déterminée et ne possèdent pas d'e- libres.
Ex: cristal de chlorure de sodium, de diamant, éthanol.

On peut distinguer un conducteur d'un isolant à l'aide de la machine de Wimshurst.
 Si le matériau testé est conducteur, la boule – de la machine délivre des e-, au matériau et au pendule qui de ce fait s'en écarte.
 S'il est isolant, l'électrisation n'a lieu que ds la zone de contact avec la boule, ce faute de porteurs de charge mobiles.
V] Les phénomènes d'électrisation.
1) Electrisation par frottement.
Quand on frotte l'un contre l'autre 2 corps différents, l'un arrache des électrons à l'autre. Celui
qui a gagné des électrons est chargé négativement, l'autre est alors chargé positivement.
Si l'objet électrisé est isolant, les charges électriques, incapables de se déplacer restent
localisées sur celui-ci.
2) Electrisation par influence.
♦ Le phénomène d'influence : Approchons un bâton d'ébonite électrisé négativement d'un conducteur métallique C1 neutre porté
par un support isolant. Les charges + ou – qui apparaissent sur le conducteur sont uniquement localisées. Celui-ci reste
globalement neutre.
♦ Charge par influence : si à ce moment là on touche le métal C1 par sa gauche, avec un autre conducteur C2 (sans pour autant
retirer l'ébonite influençante), les électrons initialement concentrés à gauche de C1 se répartissent sur l'ensemble de 2 conducteurs.
Après séparation, C1 ne sera plus neutre mais chargé positivement et C2 négativement. Nous dirons que les métaux ont été
chargés par influence (+ contact).
♦ Cas des isolants : ici les électrons ne sont pas libres. Quand on approche un bâton d'ébonite chargé négativement d'une telle
substance, chaque atome voit son nuage d'électrons repoussé. L'atome se déforme et présente un excès d'électrons d'un côté et un
défaut de l'autre. L'isolant s'est polarisé (non-coïncidence du barycentre des charges + et –). Ainsi en est-il des morceaux de
papier attirés par un bâton d'ébonite chargé.
On approche le bâton d'ébonite du
conducteur C1 : influence.
Avec C2, on touche C1 par la droite, du
côté des charges – : charge par influence.
Cas des isolants : le nuage électronique est
déformé : influence.
3) Autres procédés d'électrisation :
Piézo-électricité :  qui caractérise les substances telles les cristaux de quartz se polarisant lorsqu'ils sont soumis à une  mécanique.
Pyro-électricité :  qui caractérise les substances qui se polarisent lorsqu'elles sont chauffées.
NB : paille pour boire, frottée avec papier mouchoir. Approchée d'un filet d'eau coulant du robinet, celui-ci est attiré. Les molécules d'eau sont polarisées.