Électricité
Courant électrique

Charge électrique

Charge électrique

Une charge électrique (la quantité d'électricité) est une quantité scalaire physique qui détermine la capacité d'un corps à être une source de champs électromagnétiques et à participer à une interaction électromagnétique. La première charge électrique a été introduite dans la loi de Coulomb en 1785.

L'unité de charge du Système international d'unités (SI) est le Coulomb: une charge électrique qui traverse la section d'un conducteur avec un courant de 1 A pendant 1 s. La charge sur un Coulomb est très grande. Si deux porte-charges (q 1 = q 2 = 1 C) étaient placés dans le vide à une distance de 1 m, ils interagiraient alors avec une force de 9.10 9 H, c'est-à-dire avec la force avec laquelle la gravité La Terre attire un objet qui pèse environ 1 million de tonnes.

Autant que nous sachions, la charge électrique dans la nature ne se produit que dans des multiples entiers de la charge élémentaire e. Il est égal à la charge de proton et a une valeur de 1 602 176 53 x 10 -19 C. L'électron a exactement la même charge, mais ensuite négative. Les charges qui ne sont pas des multiples de e ne se produisent que dans des quarks. Ce sont des particules élémentaires, dont la charge est un multiple de e / 3, mais qui, contrairement aux protons et aux électrons, n'ont jamais été observées séparément.

La quantification de la charge électrique

Si les quarks ne sont pas pris en compte, aucun objet ayant une charge inférieure à celle de l'électron n'a été découvert: pour cette raison, la valeur de sa charge est considérée comme l'unité fondamentale de la charge électrique, et toutes les quantités de charge sont multiples de charge. des électrons Cependant, selon le modèle physique standard, les plus petites charges de particules sont ± e / 3, ± 2 e / 3 et ± e: par exemple, le quark descendant a une charge - e / 3, le quark up a une charge 2 et / 3, tandis que ses antiparticules ont des charges opposées.

Les autres quarks, de masse supérieure, ont dans tous les cas des charges ± et / 3 ou ± 2 et / 3. Bien que les quarks portent une charge électrique, l'observation d'un quark libre nécessite une énergie extrêmement élevée qui est récemment à la portée de accélérateurs de particules, en raison de la forte intensité des fortes interactions nucléaires qui les maintiennent ensemble. On pense qu'il existe un plasma de quarks et de gluons libres à environ 150 GeV, environ 1 × 10 12 K; les physiciens tentent d'y parvenir en frappant des noyaux lourds, tels que l'or, à des énergies d'environ 100 GeV par nucléon.

En plus de la charge électrique, nous pouvons également définir une charge de couleur, qui introduit un nombre quantique supplémentaire, utilisé pour décrire les quarks et les gluons, ainsi que le goût, dans la théorie de la chromodynamique quantique.

L'électron

L'électron est une particule subatomique qui a une masse au repos de 9 109 3826 (16) x 10 -31 kg, soit environ 1/1836 de celle du proton. Le moment angulaire intrinsèque, ou spin, est une valeur semi-entière de 1/2 en unités de ħ, ce qui fait de l'électron un fermion, donc soumis au principe d'exclusion de Pauli. L'antiparticule de l'électron est le positron, qui ne diffère que par la charge électrique opposée; Lorsque ces deux particules entrent en collision, elles peuvent être diffuses ou annihilées, produisant des photons, plus précisément des rayons gamma.

L'idée d'une quantité fondamentale de charge électrique a été introduite par le philosophe Richard Laming en 1838 pour expliquer les propriétés chimiques de l'atome; Le terme électron a été inventé plus tard en 1894 par le physicien irlandais George Johnstone Stoney et a été reconnu comme une particule par Joseph John Thomson et son groupe de recherche. Plus tard, son fils George Paget Thomson a démontré la double nature corpusculaire et ondulatoire de l'électron, qui est ensuite décrite par la mécanique quantique à travers le dualisme onde-particule.

Les électrons, ainsi que les protons et les neutrons, font partie de la structure des atomes et, bien qu'ils représentent moins de 0,06% de la masse totale de l'atome, ils sont responsables de leurs propriétés chimiques. en particulier, l'échange d'électrons entre deux atomes ou plus est la source de la liaison chimique covalente.

La plupart des électrons de l'univers ont été créés lors du Big Bang, bien que cette particule puisse être générée par la désintégration bêta des isotopes radioactifs et par les collisions à haute énergie, alors qu'elle peut être annihilée grâce à la collision avec le positron. absorbé dans un processus de nucléosynthèse stellaire.

Dans de nombreux phénomènes physiques, en particulier l'électromagnétisme et la physique de l'état solide, l'électron joue un rôle essentiel: il est responsable de la conduction du courant électrique et de la chaleur, son mouvement génère le champ magnétique et la variation de son énergie est responsable de Production de photons

L'avènement de l'électronique, à l'origine de l'informatique, place l'électron à la base du développement technologique du XXe siècle. Ses propriétés sont également exploitées dans diverses applications, telles que les tubes cathodiques, les microscopes électroniques, la radiothérapie et les lasers.

L'électron appartient également à la classe des particules subatomiques appelées leptons, considérées comme des composants fondamentaux de la matière (c'est-à-dire qu'elles ne peuvent pas être décomposées en particules plus petites).

Électrostatique

L'électrostatique est la partie de la doctrine de l'électricité qui étudie les interactions et les propriétés des systèmes de charge électrique immobiles par rapport au référentiel inertiel choisi.

La magnitude de la charge électrique (sinon, simplement une charge électrique) peut prendre des valeurs positives et négatives; C'est une caractéristique numérique des porte-charges et des corps chargés. Cette valeur est déterminée de manière à ce que l'interaction de la force transmise par le champ entre les charges soit directement proportionnelle à la magnitude des charges qui interagissent les unes avec les autres, les particules ou les corps, ainsi que la direction des forces agissant latéralement sur elles. du champ électromagnétique dépendent du signe des charges.

La charge électrique de tout système corporel consiste en un nombre entier de charges élémentaires égales à environ 1,6.10 -19 C dans le système SI ou à 4.8.10 -10 unités. SSSE Les porteurs de charge électriques sont des particules élémentaires chargées électriquement. La plus petite masse de la particule libre ayant une charge électrique élémentaire négative est un électron (sa masse est de 9,11.10 −31 kg). La plus petite antiparticule de masse stable avec une charge élémentaire positive est un positron ayant la même masse qu'un électron. Il existe également une particule stable avec une charge élémentaire positive: un proton (la masse est de 1,67.10 -27 kg) et d'autres particules moins courantes. Une hypothèse (1964) a été émise selon laquelle il existe également des particules de charge plus faible (± ⅓ et ± ⅔ de la charge élémentaire) - quarks; cependant, ils ne sont pas isolés à l'état libre (et,

La charge électrique de toute particule élémentaire est une quantité invariablement relativiste. Cela ne dépend pas du cadre de référence, ce qui signifie que cela ne dépend pas du fait que cette charge se déplace ou repose, elle est inhérente à cette particule tout au long de sa vie; par conséquent, les particules chargées élémentaires sont souvent identifiées à leurs charges électriques. En général, les charges sont négatives et positives. Les charges électriques des atomes et des molécules sont égales à zéro et les charges des ions positifs et négatifs dans chaque cellule des réseaux cristallins de solides sont compensées.

Tension et capacité des charges électriques

Les particules chargées de même polarité se repoussent avec une force qui augmente quadratiquement à mesure que la distance entre les particules diminue. Lors de l'ajout de particules chargées à un conducteur, la distance entre les particules diminue. Il faut donc de plus en plus d'énergie par unité de charge pour ajouter une charge supplémentaire. C'est le potentiel ou la tension de ce conducteur, exprimé en volts (V). Un conducteur qui prend beaucoup de charge par volt a une grande capacité. Cette capacité dépend naturellement des dimensions de ce pilote.

Des constructions spéciales ont été conçues pour stocker le plus de fret possible par volt. Ces composants s'appellent des condensateurs; ils utilisent la force d'attraction entre des particules de charge opposée dans deux conducteurs étroitement espacés pour éliminer la force de répulsion des particules de charge égale à l'intérieur de chaque conducteur.

La charge peut également être stockée dans une sphère métallique isolée du sol (comme dans le générateur de vandigra). Toutefois, si la charge devient trop importante, des fuites d'air se produiront du fait de l'ionisation qui peut être accompagnée d'étincelles si la charge est suffisante. La quantité maximale de charge (et donc également la tension électrique) dans une sphère électriquement conductrice dépend linéairement de la taille (diamètre) de cette sphère. Lorsque la sphère est agrandie, le danger pour l'homme augmente car la décharge peut générer des courants importants. Avec un courant électrique de plus de 100 mA dans le muscle cardiaque d'un être humain, le risque d'arrêt cardiaque est élevé.

Forces entre charges électriques

La loi de Coulomb exprime l'attrait ou la répulsion d'objets chargés au repos sous la forme d'une formule. Les charges électriques provoquent des champs électriques, quel que soit leur état de mouvement. Les forces entre charges stationnaires sont étudiées en électrostatique. Les charges électriques en mouvement provoquent également un champ magnétique; Ce champ se propage à la vitesse de la lumière et, à son tour, influence les autres charges mobiles. À savoir, un champ magnétique exerce une force lorentz sur une charge qui traverse la direction du champ, laquelle est perpendiculaire à la fois à la direction du champ et à la direction du mouvement. C'est la cause du phénomène d'induction décrit par la loi de Faraday ainsi que d'un effet de compression sur les porteurs en charge libre avec le même signe se déplaçant dans la même direction.

L'attraction et la répulsion électrostatique ainsi que la force de Lorentz sont contenues dans les grandes équations d'électromagnétisme de Maxwell.

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Dernier examen: 30 août 2019