diff --git a/03_charge_electrique_champs_electrique.md b/03_charge_electrique_champs_electrique.md new file mode 100644 index 0000000000000000000000000000000000000000..70114a1549233b22a3338c99c3166d982e81bbd2 --- /dev/null +++ b/03_charge_electrique_champs_electrique.md @@ -0,0 +1,107 @@ +# La charge électrique et le champs électrique + +Les forces électriques sont omniprésentes dans notre vie de tous les jours. +Elles permettent d'allumer des ampoules, de faire fonctionner les +ordinateurs, de faire tourner des moteurs, ... Elles sont aussi +responsables des interactions inter-atomiques pour que des amas d'atomes +formes des solides ou les liquides. En réalité un certain nombre des +forces que nous avons considéré dans le chapitre précédent sont +le résultat des interactions électrique au niveau atomique (la force de +frottement par exemple). + +## L'électricité statique et la conservation de la charge électrique + +Lorsqu'on frotte un ballon de baudruche contre sa tête, on constate +que les cheveux ont tendances à rester attachés au ballon +plutôt que de tomber vers le sol sous l'effet de la gravité. +On dit aujourd'hui que les cheveux se dresse sous l'effet de l'**électricité statique**. +En réalité sous l'effet du frottement le ballon comme les cheveux deviennent "chargés": +il possèdent une **charge électrique**. + +Il existe *deux* types de charges électriques: la charge *positive* et la charge *négative*. +Des objets possédant une charge de *même* type ont tendance à se repousser, +alors que ceux possédant des charges *opposées* +ont tendance à se repousser mutuellement. + +L'expérience de charger un objet en le frottant peut amener à charger positivement ou +négativement un objet. Ainsi, on dit qu'une baguette en verre est chargée *positivement*, +alors qu'une baguette en plastique est chargée *négativement*. Ce choit est totalement arbitraire +et a été choisi par B. Franklin (au 18e siècle) qui a été un des premiers à faire ce type d'expériences. + +Avant de frotter ses cheveux contre un ballon et de rendre les cheveux et le ballon chargé, +on constate qu'il n'y a pas d'attraction particulière entre ces deux objets. Cela signifie +que ni l'un ni l'autre ne sont chargés. En fait le frottement va donner une charge +*égale et opposée* à chaque objet. + +Cela est une conséquence de la loi de la conservation de la charge électrique qui dit que + +* La charge totale produite par un processus est nulle, + +ou en d'autre termes + +* Aucune charge ne peut être créée ou détruite. + +En pratique cela signifie que si une région de l'espace acquière une charge positive +une autre région aura acquis dans le même temps la même charge mais négative. + +--- + +#### Question {-} + +Connaissez-vous d'autres lois de conservation? + +--- + +## La charge électrique dans les atomes + +Un modèle simplifié d'un atome postule qu'un atome possède un noyau chargé positivement (composé de +protons et de neutrons, ces derniers n'ont pas de charge) autour duquel tournent les électrons chargés négativement (voir @fig:bohr). Les protons ont exactement la même charge électrique que les électron +mais inversée. Ainsi les atomes n'ont pas une charge nette. + +](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/2c/Blausen_0342_ElectronEnergyLevels.png){#fig:bohr width=40%} + +Sous l'effet du frottement (entre autres) un atome peut perdre ou gagner des électrons. +Il devient ainsi positivement ou négativement chargé (respectivement), +et est appelé un *ion*. Les atomes dans un solide ont une structure +cristalline (ils ne peuvent quasiment pas bouger). De plus dans des isolants +les électrons sont également fortement attachés à leurs noyaux, alors que dans +des conducteurs ils sont libres de se mouvoir à la surface du solide. Ainsi, +lorsqu'on frotte un isolant (un ballon) avec un autre isolant (les cheveux), +des électrons sont transférés de l'un vers l'autre ce qui conduit +à un transfère net de charge. Cette charge nette ne dure pas indéfiniment +car les électrons en trop sont diffusés dans l'air, attirés par les molécules d'eau +en général. + +## Isolants et conducteurs + +Si nous sommes en présence de deux objets métalliques. Un chargé électriquement +et un autre neutre et qu'on connecte les deux objets à l'aide +d'un fil métallique, on constate que l'objet non chargé devient rapidement chargé. +A l'inverse si on connecte les deux objets métalliques avec +un morceau de plastique, la charge de l'objet neutre ne changera pas. + +Les objets métalliques sont de bons *conducteurs* d'électricité, alors que +le plastique est un *isolant* (il conduit mal l'électricité). Il existe également +une sorte intermédiaire qui est à mi-chemin entre isolant et conducteur: +les *semi-conducteurs*. Le silicium entre dans cette catégorie par exemple. +Nous parlerons des semi-conducteurs plus tard dans ce cours. + +La différence entre isolant et conducteur au niveau atomique est la suivante. +Les électrons dans un isolant sont très fortement attachés au noyaux. Pour un conducteur +en revanche, certains électrons ont un lien beaucoup plus faible avec le noyau +et peuvent se déplacer librement à la surface du matériau conducteur (mais pas s'en détacher). +Ces électrons sont appelés *électrons libres*. Ainsi, un matériau chargé qui entre en contact +avec un conducteur, va avoir pour effet de déplacer les électrons de celui-ci. +Si la charge est positive, les électrons se déplaceront vers le la charge, +à l'inverse il s'en éloigneront si la charge est négative. + +Pour en revenir à notre exemple du début de la section, lorsqu'un +conducteur neutre, $N$, est mis en contact avec un autre conducteur chargé positivement, $C$, +le conducteur $N$ deviendra également positivement chargé. +En effet, lorsque $N$ et $C$ sont mis en contact les électrons de $N$ +sont attirés par la charge positive de $C$, et certains passeront de $N$ à +$C$, diminuant la charge nette de $C$ et augmentant la charge positive +de $N$, jusqu'à ce que $N$ et $C$ aient la même charge. Ce processus +est appelé charge par *conduction* car les deux conducteurs sont en contact +direct. + diff --git a/Makefile b/Makefile index 5a7e504e3e0e80d4416f7194fc3ca8ed9d9915d9..87d2ede0686348f4e0deb7c58fc7212df5da8a19 100644 --- a/Makefile +++ b/Makefile @@ -20,10 +20,10 @@ HTMLOPTIONS += --mathjax=MathJax.js all: cours.pdf cours.html -cours.pdf: 00_macros.md 01_analyse_dimensionnelle.md 02_lois_de_newton.md 10_footer.md +cours.pdf: 00_macros.md 01_analyse_dimensionnelle.md 02_lois_de_newton.md 03_charge_electrique_champs_electrique.md 10_footer.md pandoc -s $(OPTIONS) $(PDFOPTIONS) -o $@ $^ --metadata-file metadata.yaml -cours.html: 00_macros.md 01_analyse_dimensionnelle.md 02_lois_de_newton.md 10_footer.md +cours.html: 00_macros.md 01_analyse_dimensionnelle.md 02_lois_de_newton.md 03_charge_electrique_champs_electrique.md 10_footer.md pandoc -s $(OPTIONS) $(HTMLOPTIONS) -o $@ $^ --metadata-file metadata.yaml deploy: all