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📘 Électrostatique

Manuel de référence (en anglais)

📖 Manuel de référence :
University Physics Volume 2 : Chapitre 5

Théorie

Charge, conducteurs et isolants : introduction à l’électrostatique

Charge électrique (q)

• Propriété fondamentale : Les objets peuvent avoir une charge électrique positive ou négative.
• Types : Un objet devient généralement positif lorsqu’il perd des électrons et négatif lorsqu’il gagne des électrons.
• Conservation : La charge n’est ni créée ni détruite, seulement transférée.
• Quantification : $Q=n\cdot e$. La charge existe en multiples de la charge élémentaire $e=1.6\times 10^{-19}\text{C}$.

Conducteurs

• Définition : Matériaux dans lesquels les charges électriques, comme les électrons ou les ions, peuvent se déplacer librement.
• Exemples : Métaux comme le cuivre et l’argent; solutions salines.

Isolants

• Définition : Matériaux dans lesquels les charges ne peuvent pas se déplacer librement.
• Exemples : Verre, caoutchouc et plastique.

▶ Vidéo : Charge, conducteurs et isolants

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Loi de Coulomb sans vecteurs

La grandeur de la force électrostatique $F_{\mathrm{t}\mathrm{s}}$ entre deux charges ponctuelles $q_{\mathrm{s}}$ (charge source) et $q_{\mathrm{t}}$ (charge test), séparées par une distance $r$, est donnée par :

$F_{\mathrm{t}\mathrm{s}}=k\cdot \frac{|q_{\mathrm{s}}|\cdot |q_{\mathrm{t}}|}{r^2}$

où $k\approx 8.99\times 10^9\mathrm{N}\mathrm{\cdot }{\mathrm{m}}^{\mathrm{2}}/{\mathrm{C}}^{\mathrm{2}}$ est la constante de Coulomb.

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Loi de Coulomb sous forme vectorielle

La force électrostatique, en tant que vecteur, ${\overrightarrow{F}}_{\mathrm{t}\mathrm{s}}$ entre deux charges ponctuelles $q_{\mathrm{s}}$ (charge source) et $q_{\mathrm{t}}$ (charge test), séparées par une distance $r$, est donnée par :

${\overrightarrow{F}}_{\mathrm{t}\mathrm{s}}=k\frac{q_{\mathrm{s}}{q}_{\mathrm{t}}}{r^2}\hat{r}$

où :

• ${\overrightarrow{F}}_{\mathrm{t}\mathrm{s}}$ : force exercée sur la charge test par la charge source;
• $k$ : constante électrostatique, environ $8.99\times 10^9\mathrm{N}\mathrm{\cdot }{\mathrm{m}}^{\mathrm{2}}/{\mathrm{C}}^{\mathrm{2}}$;
• $q_{\mathrm{s}}$ : charge source, celle qui exerce la force;
• $q_{\mathrm{t}}$ : charge test, celle qui subit la force;
• $r$ : distance entre les charges;
• $\hat{r}$ : vecteur unitaire pointant de la charge source vers la charge test.

▶ Vidéo : Loi de Coulomb sous forme vectorielle

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Effet triboélectrique et série triboélectrique

L’effet triboélectrique est un phénomène par lequel certains matériaux deviennent électriquement chargés après être entrés en contact puis séparés. Cet effet est souvent associé au frottement, qui multiplie les contacts et les séparations entre les matériaux. Des électrons sont alors transférés d’un matériau à l’autre. En conséquence, un matériau gagne des électrons et devient chargé négativement, tandis que l’autre perd des électrons et devient chargé positivement.

Les différents matériaux ont des tendances variables à gagner ou à perdre des électrons. Ces tendances sont organisées dans la série triboélectrique. Les matériaux situés plus haut dans la série, comme le verre ou les cheveux, tendent à perdre des électrons et à devenir positifs. Ceux situés plus bas, comme le caoutchouc ou le Téflon, tendent à gagner des électrons et à devenir négatifs.

L’effet triboélectrique est fréquemment observé dans la vie quotidienne, par exemple :

• lorsqu’un ballon frotté sur des cheveux les fait se dresser;
• lorsque des vêtements synthétiques produisent de l’électricité statique.

▶ Vidéo : Effet triboélectrique

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Démonstrations

Courber un jet d’eau

▶ Démonstration : Courber un jet d’eau

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Coller un ballon au mur

▶ Démonstration : Coller un ballon au mur

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Simulations d’électrostatique

Voici quelques simulations permettant d’expérimenter avec les charges électriques :

• Attention à John Travolta !
• Chargez un ballon

D’autres ressources sont disponibles ici :

• Ressources sur l’électricité statique
• Animation sur la foudre

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