Points essentiels Historique Manifestation de l`électricité

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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
Les premières notions concernant l’électricité remontent à l’Antiquité
mais il faut attendre jusqu’au 19esiècle avant que ce sujet soit
étudié en profondeur.
La Grèce
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!
Un peu d’histoire
Manifestation de l’électricité
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.
bâtonnet d’ambre
( “ambre” ou “ ελεκτρον” signifie “électron”)
morceaux de pailles
Manifestation de l’électricité (suite)
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...

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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
Atome neutre
– #p+= #e-
– Sans charge électrique
8 p++ 8e-= atome neutre
8 p++ 7e-= atome ionisé 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 = +23 000
-
----
-
---
-
-
-+
-
-
--
-
--
-
-
-
-
--
---- +
+
++
++
++++
+
+
+++
++
+
+
++
+ +
+
+++
++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 10-27 kg
électron: q = -1,6 x 10-19 C m = 9,11 x 10-31 kg
neutron: q = 0 C m = 1,68 x 10-27 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).

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La loi de Coulomb (suite)
où k= 9 x 109N m2/C2,
q1 et q2= la charge en Coulomb,
et r= la distance entre les charges en mètres
F12 = k q1q2
r2
Soit:
Remarque: Soit exactement 100 ans plus tard que Newton:
Fg= G m1m2
r2
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)
32N
18M
8L
2K
Nombre MaxCouche
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).
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).
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
1- Électrisation des isolants par frottement
Le frottement de matériaux isolants avec un tissu est la seule
façon de les électriser.
Électrisation:
Processus qui nous permet de charger
électriquement un objet
Méthodes d’électrisation (suite)
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

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Méthodes d’électrisation (suite)
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 !
3- Électrisation des conducteurs par induction
Animation
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.
Les champs sont présents dans tous les milieux, y
compris l espace vide!
Tous les champs sont des intermédiaires des forces
s’exerçant entre deux objets.
Comment calculer le champ
électrique
Comme chacune des forces est proportionnelle à q0, alors on définit
le champ électrique Een un point Ppar:
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F kQ
E
q r
= =
Unités: Dans le système internationale: N/C.
Remarque: Le champ électrique est un vecteur et obéit au principe
de superposition.
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.
x
C
N
q
F
Eselon 10 4
10 5
10 2
4
9-
-4
0×=
×
×
== r
r
Champ électrique autour
d’une charge ponctuelle positive
Q
Champ électrique autour
d ’une charge ponctuelle négative
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
-------------------
+ + + + + + + + + + + + + + +
E
r
d
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.
Exercices suggérés
1201, 1203, 1205, 1206, 1207 et 1208.