Avez-vous déjà vu un coup de foudre ou été choqué lorsque vous avez touché une poignée de porte? Si c'est le cas, vous avez observé la puissance des charges électriques en action. Des charges électriques positives et négatives sont créées à partir du mouvement de minuscules particules appelées électrons. Alors que les électrons sont si petits qu'ils ne peuvent même pas être vus au microscope, vous pouvez voir comment les charges positives et négatives se forment simplement en utilisant des objets dans votre propre maison.
Électrons et charge
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Vous savez peut-être déjà que toute matière est constituée de particules microscopiques appelées atomes. Cependant, les atomes sont constitués de particules encore plus petites appelées électrons, protons et neutrons. Les protons se trouvent au centre, ou noyau, d'un atome et ont une charge positive; des neutrons sont également présents dans le noyau mais n'ont pas de charge. Les électrons gravitent autour du noyau et sont chargés négativement.
Normalement, un atome a un nombre égal de protons et d'électrons. Cependant, comme les électrons se trouvent dans la partie externe d'un atome, ils se déplacent parfois d'un atome ou d'un groupe d'atomes à un autre. Lorsqu'un atome ou un groupe d'atomes a plus d'électrons que de protons, il est chargé négativement. Lorsqu'un atome ou un groupe d'atomes a plus de protons que d'électrons, il est chargé positivement. Un atome ou un groupe d'atomes qui a le même nombre de protons et d'électrons est chargé de façon neutre.
Comment créer une charge positive
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Si vous avez déjà frotté un ballon dans vos cheveux et l'avez utilisé pour faire dresser vos cheveux, vous savez déjà comment faire des charges positives et négatives. Chaque fois que des atomes se frottent les uns contre les autres, des électrons peuvent passer entre eux. Cela signifie qu'un objet ne peut pas devenir chargé positivement à moins qu'un autre objet ne soit chargé négativement; ces électrons doivent aller quelque part. Lorsque vous avez frotté le ballon dans vos cheveux, les électrons se sont déplacés des atomes de vos cheveux vers les atomes du ballon, rendant vos cheveux chargés positivement et le ballon chargé négativement.
Vos cheveux se dressent parce que des objets avec des charges opposées sont attirés les uns vers les autres. Vous avez peut-être aussi collé le ballon à l'un des murs de votre maison. En effet, les objets chargés, qu'ils soient positifs ou négatifs, sont également attirés par des objets chargés neutres, comme le mur. Cependant, si vous ameniez le ballon près d'un autre ballon que vous aviez chargé de cette façon, les deux ballons s'éloigneraient l'un de l'autre. En effet, deux objets ayant la même charge, qu'elle soit positive ou négative, se repoussent toujours.
Série triboélectrique
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Vous avez vu comment les électrons se déplacent de vos cheveux vers le ballon lorsque vous les frottez les uns contre les autres. Mais pourquoi sont-ils passés de vos cheveux au ballon et pas l'inverse? Le ballon finira toujours par se charger négativement dans cette expérience, car certaines substances cèdent des électrons plus facilement que d'autres, et il sera toujours plus facile pour le caoutchouc du ballon de prendre des électrons de vos cheveux que pour vos cheveux de prendre des électrons de la ballon.
UNE série triboélectrique est une liste qui montre à quel point il est facile pour différentes substances de prendre des électrons les unes des autres. Plus une substance est basse sur une série triboélectrique, plus elle est susceptible de devenir chargée négativement. Une substance peut prendre des électrons de toutes les substances situées au-dessus d'elle sur la série. Par exemple, prenons la série triboélectrique suivante :
Cheveux Verre Papier Laine Vinyle Latex Téflon
Vous pouvez voir que frotter du téflon sur l'une des autres substances de cette liste rendra ces matériaux chargés positivement, car le téflon peut prendre des électrons de chacun d'eux. Et toute substance de cette liste peut devenir chargée négativement en prenant des électrons dans vos cheveux.
Pourquoi la foudre frappe-t-elle ?
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Les charges positives et négatives sont également la raison pour laquelle la foudre frappe pendant les orages. Les nuages orageux se forment lorsque des gouttelettes d'eau dans les parties froides et supérieures de l'atmosphère gèlent et tombent; en même temps, les courants ascendants transportent la vapeur d'eau vers le haut. L'eau qui tombe et l'eau qui monte se frottent l'une contre l'autre: L'eau qui tombe se charge négativement et l'eau qui monte se charge positivement. Pour cette raison, le nuage d'orage est chargé négativement en bas et positivement en haut.
Normalement, parce qu'un objet chargé est attiré par un objet chargé de manière neutre, les électrons dans le nuage d'orage s'écouleraient lentement vers le sol chargé de manière neutre. Cependant, l'air entre le nuage et le sol sert de isolant, une substance qui empêche les électrons de se déplacer facilement à travers elle. Mais une fois qu'une charge négative suffisamment forte s'accumule au bas du nuage, même l'air ne peut pas l'arrêter. Les électrons sautent tous au sol en même temps sous la forme d'un coup de foudre.