Propriétés de la charge électrique et structure atomique
Dans ce cours, nous examinerons le concept et l’origine de la charge électrique en tant que cause fondamentale des phénomènes électriques. Nous commencerons par une analyse historique où les Grecs ont observé les propriétés électriques en frottant de l’ambre avec de la laine, conduisant à la loi des signes pour modéliser l’attraction et la répulsion électriques. À l’échelle microscopique, nous explorerons les particules subatomiques et comment la charge électrique est inhérente à la structure de la matière, avec une attention particulière à la composition des atomes et à leur rôle dans la détermination des propriétés électriques de la matière. Enfin, nous soulignerons que, bien qu’un atome puisse être neutre, il participe toujours aux phénomènes électriques en raison des interactions atomiques et moléculaires et du transfert d’électrons.
Objectifs d’apprentissage :
À la fin de ce cours, l’étudiant sera capable de :
- Lister les particules subatomiques et leurs charges et masses respectives.
- Expliquer pourquoi certains matériaux acquièrent une charge électrique lorsqu’ils sont frottés.
- Décrire la relation entre le comportement observé par les Grecs (ambre chargé) et la notion moderne d’électricité.
- Distinguer entre atomes neutres, cations et anions.
TABLE DES MATIÈRES
Qu’est-ce que la charge électrique ?
Phénomènes électriques dans l’Antiquité
Loi des signes
Charge électrique et structure de la matière
Propriétés électriques de la matière
Qu’est-ce que la charge électrique ?
Pour comprendre les phénomènes électriques, il est essentiel de considérer leur cause sous-jacente. Tout comme la masse est responsable de la gravité, la charge électrique est la cause des phénomènes électriques.
Lorsque nous commençons notre étude de l’électromagnétisme, il est difficile de définir exactement ce qu’est la charge électrique. Cette compréhension nécessite une analyse plus avancée que celle que nous aborderons initialement. Cependant, nous pouvons étudier son comportement et ses propriétés pour commencer à nous familiariser avec l’électricité.
Phénomènes électriques dans l’Antiquité
Dans l’Antiquité, les Grecs ont remarqué qu’en frottant de l’ambre avec de la laine, celui-ci pouvait attirer certains objets. Cet effet a été décrit comme l’ambre « chargé » ou ayant « acquis une charge électrique ». En fait, le mot « électricité » provient du grec « ήλεκτρον (élektron) », qui signifie « ambre ». Depuis l’Antiquité, il a été observé que les corps « électriquement chargés » possédaient les propriétés et comportements suivants :
- Si deux matériaux A et B initialement neutres (sans charge) sont frottés l’un contre l’autre, ils peuvent acquérir une charge électrique. Ces charges sur A et B sont de même magnitude.
- Si, après avoir été chargés comme décrit ci-dessus, les corps A et B sont mis en contact, leurs charges se neutralisent mutuellement.
Sur la base de ce qui précède, on dit que les corps acquièrent des charges égales mais opposées. C’est pourquoi nous désignons ces charges comme « positives » et « négatives ». De plus, le comportement des corps chargés peut être modélisé par la loi des signes :
Loi des signes
Les corps chargés manifestent le comportement suivant :
- Positif x Positif = Positif → RÉPULSION
- Positif x Négatif = Négatif → ATTRACTION
- Négatif x Positif = Négatif → ATTRACTION
- Négatif x Négatif = Positif → RÉPULSION
Les charges de signes opposés s’attirent, tandis que les charges de même signe se repoussent.
Charge électrique et structure de la matière
La charge électrique, tout comme la masse, est une propriété fondamentale des particules qui constituent la matière. L’unité de mesure de la charge électrique est le Coulomb, notée par la lettre C. Les atomes sont composés de particules subatomiques qui possèdent des charges et des masses spécifiques, comme indiqué dans le tableau ci-dessous :
| Particule | Masse [kg] | Charge électrique [C] |
|---|---|---|
| Proton | 1.6726219 \times 10^{-27} | +1.602176634 \times 10^{-19} |
| Neutron | 1.6759271 \times 10^{-27} | 0 (neutre) |
| Électron | 9.10938356 \times 10^{-31} | -1.602176634 \times 10^{-19} |
En général, les symboles p^+, e^- et n_0 sont utilisés pour représenter respectivement le proton, l’électron et le neutron. Les protons et neutrons se trouvent dans le noyau de l’atome, tandis que les électrons orbitent autour de lui. Plus de 99,9 % de la masse d’un atome est concentrée dans son noyau.
Le nombre de protons dans le noyau définit l’élément auquel appartient un atome. Le nombre de neutrons définit l’isotope de cet élément, et le nombre d’électrons indique son état d’ionisation. Traditionnellement, un atome est considéré comme neutre et, en cas d’excès ou de manque d’électrons, il est appelé ion. Les ions peuvent être négatifs (anions) ou positifs (cations).
Propriétés électriques de la matière
Les propriétés électriques de la matière dépendent de sa structure interne et de la manière dont les atomes ou les molécules interagissent entre eux. Bien qu’un atome neutre puisse sembler dépourvu de charge, cela ne signifie pas qu’il ne peut pas participer à des phénomènes électriques. Il est important de se rappeler que la nature de la charge électrique dépend de l’interaction entre les atomes et les molécules, ainsi que de leur capacité à transférer ou à partager des électrons pour former des liaisons.