1Charge électrique et électrisation
Définition. La charge électrique d’un corps, en coulombs (), mesure son excès ou son défaut d’électrons. Elle est quantifiée : , où est un entier et est la charge élémentaire. Un corps qui perd des électrons se charge positivement, un corps qui en gagne se charge négativement.
Propriété — conservation. Lors d’une électrisation, les charges ne sont ni créées ni détruites : elles sont transférées. Trois modes : par frottement (transfert d’électrons entre deux isolants), par contact (partage des charges), par influence (un corps chargé approché d’un corps neutre y déplace les charges : la face proche porte la charge opposée, d’où une attraction, sans transfert).
2Loi de Coulomb
Théorème. Deux charges ponctuelles et , distantes de , exercent l’une sur l’autre des forces opposées, de même direction (la droite AB) et de même valeur
avec , en , en , en ; est le vecteur unitaire orienté de A vers B. Deux charges de même signe se repoussent (), de signes contraires s’attirent.
3Loi de la gravitation universelle
Théorème. Deux corps ponctuels de masses et , distants de , s’attirent toujours avec la force
avec . La loi s’applique aussi à des corps à répartition sphérique de masse, étant la distance entre les centres.
Remarque. Les deux lois ont la même forme en et les forces sont opposées deux à deux. Mais la gravitation est toujours attractive et extrêmement faible : dans l’atome d’hydrogène, la force électrostatique est environ fois plus grande que la force gravitationnelle. La gravitation ne domine qu’à l’échelle astronomique, car les astres sont électriquement neutres.
4Champ de gravitation et champ électrostatique
Définition. Un champ associe à chaque point de l’espace la valeur d’une grandeur. Une masse ou une charge modifie l’espace autour d’elle : un corps placé en un point y subit alors une force.
Propriété. Un astre de masse crée, à la distance de son centre, un champ de valeur , dirigé vers son centre ; à sa surface, . Au voisinage du sol, le champ de pesanteur est assimilé à et le poids s’écrit .
Propriété. Une charge ponctuelle crée, à la distance , un champ de valeur , porté par la droite qui joint au point, fuyant si , dirigé vers si . La force subie par une charge est de même sens que si , de sens opposé si .
Définition. Une ligne de champ est une courbe tangente en chacun de ses points au vecteur champ et orientée dans son sens. Les lignes ne se croisent pas ; elles sont d’autant plus resserrées que le champ est intense.
Propriété — champ uniforme. Entre les armatures planes et parallèles d’un condensateur plan soumises à la tension et distantes de , le champ est uniforme (même direction, même sens, même valeur en tout point, lignes de champ parallèles) :
est perpendiculaire aux armatures et dirigé de l’armature positive vers l’armature négative.
• • • • Terre : , • , .
5Savoir-faire du chapitre
- Relier la charge d’un corps au nombre d’électrons transférés ; interpréter une électrisation par frottement, contact ou influence.
- Calculer la valeur d’une force électrostatique ou gravitationnelle et la représenter à une échelle donnée.
- Comparer les deux interactions pour un même couple de particules et conclure sur celle qui domine.
- Calculer et représenter le champ créé par une masse ou par une charge ponctuelle ; caractériser une ligne de champ.
- Exploiter dans un condensateur plan et déterminer la force subie par une particule chargée.
6Exemples types
et sont distantes de . Les charges étant de signes contraires, l’interaction est attractive et , valeur commune aux deux forces. Si est triplée, est divisée par .
: la valeur mesurée de au sol. Le poids d’une sonde de vaut alors .
Une charge de valeur , placée en O, crée en M, à , un champ , dirigé de O vers M. En un point N deux fois plus éloigné de O, .
et donnent , champ uniforme dirigé de la plaque vers la plaque . Un électron y subit , de sens opposé à . Son poids, , est environ fois plus petit : il est négligeable.
- Oublier le carré de la distance, ou garder les distances en centimètres : doit être en mètres.
- Écrire une force gravitationnelle répulsive : la gravitation est toujours attractive, seul le signe des charges peut changer le sens d’une force électrostatique.
- Confondre force et champ : existe même sans charge en ce point ; dépend, elle, de la charge placée là.
- Croire que a toujours le sens de : pour une charge négative, les deux vecteurs sont opposés.
- Utiliser hors d’un champ uniforme, ou oublier que est la distance entre les armatures, pas la position du point.