La loi de Coulomb est une loi qui définit la force exercée par un champ électrique sur une charge électrique. Il s'agit de la force agissant entre des objets chargés électriquement et elle est définie opérationnellement par la valeur de l'interaction entre deux charges électriques ponctuelles stationnaires dans le vide.
La loi de Coulomb stipule : « La force électrique d'attraction ou de répulsion entre deux charges est inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. »
Cette force est appelée force de Coulomb et a été décrite par En physique, la force de Coulomb, décrite par Charles-Augustin de Coulomb.
Charles-Augustin de Coulomb a inventé la balance de torsion pour mesurer l'attraction magnétique et électrique. Cet instrument est capable de mesurer le couple résultant de l'application d'une ou plusieurs forces sur ses bras.
Définition de la loi de Coulomb
La loi de Coulomb stipule que la force d'interaction entre deux charges électriques ponctuelles est directement proportionnelle au produit des grandeurs des charges et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. Cette force est attractive si les charges sont de signe opposé et répulsive si elles sont de même signe.
Cette loi décrit comment les charges électriques s'influencent mutuellement à travers l'espace et est fondamentale pour la théorie électromagnétique.
Formule mathématique
La force de Coulomb peut être calculée à l'aide de l'équation suivante :
Où:
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F est la force de Coulomb exprimée en Newtons (N).
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q 1 est la première charge ponctuelle exprimée en Coulombs (C).
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q 2 est la deuxième charge ponctuelle (C).
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r est la distance entre deux charges ponctuelles exprimée en mètres (m).
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k C est une constante électrostatique dont la valeur est d'environ 8,988 × 10 9 N m 2 C -2
Toutes les variables décrites dans cette définition correspondent au système international d’unités.
Si le signe de la force est positif, cela signifie que la force est répulsive. Si, au contraire, elle est négative, il s’agit d’une force d’attraction.
À partir de la formule, nous pouvons tirer plusieurs conclusions selon lesquelles la force est directement proportionnelle au produit des charges électriques q 1 et q 2
Exemples de la loi de Coulomb
La loi de Coulomb s'applique chaque fois que des charges électriques et des champs électriques sont impliqués. Voici quelques exemples de la vie quotidienne :
- Électroaimants : Un électroaimant génère une force magnétique lorsqu'un courant électrique circule dans un fil enroulé autour d'un noyau ferromagnétique. L'interaction entre les charges électriques en mouvement à l'intérieur du conducteur et le champ magnétique résultant suit les principes de la loi de Coulomb, puisque les charges à l'intérieur du conducteur s'attirent ou se repoussent en fonction de leurs signes et de la distance relative qui les sépare.
Moteurs électriques : Dans les moteurs électriques, la force qui entraîne le mouvement provient de l’interaction entre les charges électriques dans les champs magnétiques. Cette interaction peut être comprise grâce à la loi de Coulomb, car les charges dans les bobines du moteur interagissent avec d'autres charges dans le rotor et le stator, générant un couple qui provoque le mouvement.- Charges électrostatiques dans un ballon : Si nous frottons un ballon contre un pull en laine, certains électrons sont transférés du pull au ballon, le chargeant négativement. Cette accumulation de charge amène le ballon à exercer une force d’attraction sur des objets de charge opposée, comme les atomes du plafond. En raison de la loi de Coulomb, les électrons en excès dans le ballon créent une attraction vers les protons des atomes du plafond, permettant au ballon de coller temporairement à la surface. Ce phénomène est un exemple de la manière dont les forces électrostatiques agissent dans le monde macroscopique.
- Étincelles électriques : Par temps sec, lorsqu’une personne marche sur un tapis et touche ensuite une surface métallique, elle peut subir un petit choc électrique. Cela se produit parce que, lors de la marche, des charges de différents signes s'accumulent sur les vêtements ou sur le corps, créant un déséquilibre. La loi de Coulomb explique l'accumulation de charges et la libération ultérieure d'énergie sous forme d'étincelle lorsque l'équilibre électrique entre le corps et l'objet métallique est rétabli.
- Foudre : Lors d'un orage, des charges de différents signes s'accumulent dans les nuages. Lorsque la différence de charge est suffisamment grande, une décharge électrique sous forme d’éclair se produit. Ce phénomène est une manifestation de la loi de Coulomb, puisque les charges opposées entre le nuage et le sol s'attirent avec une grande force.
- Charge électrostatique sur les vêtements : Lorsque nous frottons un pull en laine ou synthétique contre nos vêtements, des électrons sont transférés, créant une charge électrostatique. Cela provoque parfois le collage des vêtements sur la peau ou l'apparition de petites étincelles lorsqu'on touche une poignée en métal. Cela se produit parce que les charges électriques interagissent selon la loi de Coulomb.
- Interaction entre les particules de poussière et les surfaces chargées : Dans les endroits secs ou lorsque l'on frotte certains matériaux, il peut y avoir une accumulation de charges statiques. Cela provoque l’adhérence de minuscules particules de poussière aux surfaces chargées, comme l’écran d’un téléphone ou d’un téléviseur, montrant comment les charges opposées attirent les particules chargées.
- Appareils électroménagers et écrans tactiles : Les appareils électroniques tels que les téléphones portables et les écrans tactiles fonctionnent grâce à l’interaction de charges électriques. Par exemple, lorsque vous touchez un écran capacitif, les électrons de votre doigt interagissent avec les capteurs de l'appareil, générant une réponse sur l'écran, le tout régi par la loi de Coulomb.
Exercice sur l'application de la loi de Coulomb
Déterminer la force électrique entre deux sphères chargées de 1 μC chacune, placées à une distance de 1,0 cm.
Réalisation de l'exercice
Deux charges électriques ponctuelles sont placées à une distance de 1 cm l’une de l’autre.
Nous voulons déterminer la force électrique établie entre les deux charges électriques, sachant que chaque charge a une intensité égale à 1 μC.
Nous appliquons directement la loi de Coulomb :
Dans lequel :
Q 1 = Q 2 = Q = 1 μC = 10 -6 C.
r = 1,0 cm = 10 -2 m
En remplaçant la formule nous avons :
F= 8,988 · 10 9 · (10 -6 · 10 -6 ) / 10 -2 = 89,88 N