La charge électrique est une propriété physique fondamentale de la matière et en particulier des protons et des électrons des particules subatomiques. Tout comme les atomes ont une masse, ces particules ont une charge, et il y a une force électrique et un champ électrique associés à cette charge.
Propriétés de la charge électrique
La charge électrique se décline en deux variétés :charge positive et charge négative, qui, comme leurs noms l'indiquent, ont des signes opposés (contrairement à la masse, qui n'a qu'une seule variété). Les objets avec une charge électrique exercent une force électrique les uns sur les autres, tout comme les objets avec une masse le font via la force gravitationnelle. Mais au lieu d'être toujours une force d'attraction, comme pour la masse, les charges opposées s'attirent tandis que les charges similaires se repoussent.
L'unité SI de charge est le coulomb (C). Un coulomb est défini comme la quantité de charge qui peut être transférée par un ampère de courant électrique en une seconde. Les porteurs de charge fondamentaux sont le proton, avec une charge
La charge nette sur un objet est le nombre de protonsNpmoins le nombre d'électronsNefoise:
\text{charge nette} = (N_p - N_e) e
La plupart des atomes sont électriquement neutres, ce qui signifie qu'ils ont un nombre égal de protons et d'électrons, leur charge nette est donc de 0 C. Si un atome gagne ou perd des électrons, il s'appelle un ion et aura une charge nette non nulle. Les objets avec une charge nette présentent de l'électricité statique et peuvent s'accrocher les uns aux autres avec une force dépendant de la quantité de charge.
Notez que ce transfert d'électrons entre atomes ou entre objets n'entraîne pas également de changement significatif de la masse des objets. En effet, alors que les protons et les électrons ont la même amplitude de charge, ils ont des masses très différentes. La masse d'un électron est de 9,11 × 10-31 kg alors que la masse d'un proton est de 1,67 × 10-27 kg. Un proton est plus de 1000 fois plus lourd qu'un électron !
Loi de Coulomb: Formule
La loi de Coulomb donne la force électrostatiqueFentre deux charges,q1etq2une distancerune part:
F = k\frac{q_1q_2}{r^2}
Oùkest la constante de Coulomb = 8,99 × 109 Nm2/C2.
Notez que cette force est unvecteur,qui pointe le long d'une ligne dirigée loin de l'autre particule si les charges sont les mêmes et vers l'autre particule si les charges sont opposées.
La loi de Coulomb, tout comme la force de gravité entre deux masses, est une loi carrée inverse. Cela signifie qu'il diminue comme l'inverse du carré de la distance entre deux charges. En d'autres termes, les charges deux fois plus éloignées subissent un quart de la force. Mais alors que cette charge diminue avec la distance, elle ne va jamais à zéro et a donc une portée infinie.
Exemples à étudier
Exemple 1:Une charge de +2eet une charge de -4esont séparés par une distance de 0,25 cm. Quelle est l'amplitude de la force de Coulomb entre eux ?
En utilisant la loi de Coulomb, et en étant sûr de convertir cm en m, vous obtenez :
F = k\frac{q_1q_2}{r^2} = (8.99\times10^9)\frac{(2\times 1.602\times10^{-19})(-4\times 1.602\times 10^{-19) })}{0.0025^2} = 2.95\times 10^{-22}\text{ N}
Exemple 2 :Supposons qu'un électron et un proton soient séparés par une distance de 1 mm. Comment la force gravitationnelle entre eux se compare-t-elle à la force électrostatique?
La force gravitationnelle peut être calculée à partir de l'équation :
F_{grav} = G\frac{m_pm_e}{r^2}
Où la constante gravitationnelleg = 6.67 × 10-11 m3/kgs2.
Le branchement des nombres donne :
F_{grav} = (6.67\times 10^{-11})\frac{(1.67\times 10^{-27})(9.11\times 10^{-31})}{(1\times 10^{ -3})^2} = 1,015\x 10^{-61}\texte{ N}
La force électrostatique est donnée par la loi de Coulomb :
F_{elec} = k\frac{q_1q_2}{r^2} = (8.99\times10^9)\frac{(1.602\times 10^{-19})(-1.602\times 10^{-19}) }{(1\fois 10^{-3})^2} = 2,307\fois 10^{-22}\texte{ N}
La force électrostatique entre le proton et l'électron est supérieure à 1039 fois supérieure à la force gravitationnelle !