Unité et notation

La charge électrique est une grandeur qui se note avec la lettre q (parfois en majuscule Q). Son unité est le Coulomb, de symbole C, choisie en hommage au physicien français Charles Coulomb (1736 – 1806) qui consacra une partie de ses recherches à l'étude de l'électrostatique et aux interactions entre charges électriques. Comme toutes les unités, le coulomb peut être décliné en sous-unités (décicoulomb, centicoulomb, millicoulomb, etc.) ou en unités multiples (décacoulomb, hectocoulomb, kilocoulomb, etc.), qu'il est possible de convertir en utilisant les méthodes habituelles (tableau de conversion ou association des préfixes à des puissances de dix).

Voir fiche dictionnaire-encyclopédie "Conversion d'unités".

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Charge électrique des principales particules

ElectronProtonNeutronAtomeMoléculeCationAnionNeutrino
-e+e000positive
de +e à +4e
négative
de -e à -4e
0
-1,60 x 10^(-19) C+1,60 x 10^(-19) C000de -1,60 x 10^(-19) C
à -6,40 x 10^(-19) C
de +1,60 x 10^(-19) C
à +6,40 x 10^(-19) C
0

Signe des charges électriques

Il existe deux sortes de charges électriques de natures différentes :

  1. l'une est associée au signe positif (+)
  2. et l'autre au signe négatif (-).

Le signe des charges électriques détermine le type d'interaction qui s'établit entre elles (attractive ou répulsive).

Constitution d’un atome

Généralités sur l’atome

Toute matière est constituée d’un ou d’un ensemble d’atomes, semblables à des sphères d’un diamètre de 10-10 m et pouvant s’assembler pour former des molécules.

Un atome est constitué de particules atomiques, réparties au sein d’un noyau, chargé positivement, et d’un nuage d’électrons chargés négativement. Au sein de ce noyau, on peut retrouver des neutrons, qui ne portent pas de charge nette, et des protons, portant une charge nette positive. Ces deux types de particules sont plus généralement nommés des nucléons.

Les électrons sont caractérisés par des masses faibles et une charge électrique négative, égale à la charge élémentaire.

Les protons sont environ 2000 fois plus lourds que les électrons, et possèdent une charge positive égale à celle de l’électron. Enfin, les neutrons possèdent une masse légèrement plus élevée que le proton, mais ne possèdent pas de charge.

 ProtonNeutronÉlectron
Masse (kg)1,673 x 10^(-27)1,675 x 10^(-27)9,1 x 10^(-31)
Charge électrique (C)1,602 x 10^(-19) = +e0-1,602 x 10^(-19) = -e

Caractérisation d’une espèce chimique

Une espèce chimique est caractérisée essentiellement par son noyau. En effet, un nucléide est une espèce de noyau caractérisée par :

  • Son nombre de masse A (= nombre de nucléons)
  • Son numéro atomique Z (= nombre de protons)
  • Son nombre de neutrons N = A – Z
  • Son état d’énergie (stable ou instable)

Au sein du tableau périodique des éléments de Mendeleïev, les éléments sont classés selon leur numéro atomique Z. Une espèce particulière de nucléide peut avoir plusieurs isotopes : son numéro atomique Z sera alors constant, mais un nombre de neutrons N variable.

Une modification du nombre de protons au sein de l’atome modifie l’espèce chimique à laquelle il appartient, alors qu’une modification du nombre d’électrons ne modifie que la charge globale de l’atome, le transformant alors en cation ou en anion.

Notion de particules élémentaires

Les 12 particules élémentaires de la matière présentes dans l’Univers sont classées en deux familles, les leptons et les quarks, chacune constituée de 6 particules :

 Leptons Quarks
Électron

charge -e
Neutrino de l’électron

charge 0
Up (u)

Charge (+2/3)e
Down (d)

Charge (-1/3)e
muonNeutrino du muoncharmstrange
tauNeutrino du tautopbottom

L’électron est donc une particule élémentaire, qu’on ne peut par conséquent pas diviser, alors que le proton et le neutron peuvent théoriquement être divisés en particules élémentaires. Le proton et le neutron sont des baryons, constitués de 3 quarks :

  • Le neutron est constitué d’un up et de deux downs (u+d+d)
  • Le proton est constitué de deux ups et un down (= u+u+d)

Charge électrique élémentaire

La charge électrique élémentaire (notée e) est censée être la plus petite valeur de charge électrique existante. Cette constante physique élémentaire, mesurable à l’aide d’un électromètre, correspond à la charge électrique portée par les protons, et elle vaut :

    \[e=1,602\times10^{-19}C\]

Toute charge électrique q est un multiple de la charge élémentaire :

    \[q=n\times e\]

Remarque : les quarks, particules élémentaires constitutives des nucléons, n'obéissent pas à cette règle et possèdent des charges qui sont des multiples du tiers de la charge élémentaire.

Les particules chargées conservent leur charge q quel que soit leur vitesse. La charge est donc un invariant de la théorie de la relativité.

Neutralité électrique

À l'échelle macroscopique, la plupart des matières (solides ioniques, solides moléculaires, solutions aqueuses, gaz, etc.) sont électriquement neutres.

Cela ne signifie pas qu'il y a absence totale de charges électriques, mais que celles-ci se compensent : la somme des charges négatives est égale, en valeur absolue, à la somme des charges positives.

À l’échelle de l’atome, ceci explique qu’il y ait autant d’électrons que de protons dans un atome.

Forces d’interaction

Toute particule de matière interagit avec d’autres particules sous l’effet de 4 forces d’interaction.

ForceCouplageTransmission parPortée et intensité
gravitationnelleAssure le couplage des masses?Portée illimitée
Intensité = 1
électromagnétiqueAssure le couplage des charges électriquesphotonsPortée illimitée
Intensité = 10^36
nucléaire forteAssure le couplage des quarks (cohésion du noyau)gluonsPortée : 10^(-14)
Intensité = 10^38
nucléaire faibleAssure la cohérence des nucléonsbosonsPortée : 10^(-17)
Intensité = 10^32

La force d’interaction électromagnétique a une portée illimitée, mais n’a pas d’influence directe sur les corps ayant une échelle supérieure ou égale au corps humain, car ces derniers sont électriquement neutres. Cependant, les particules qui constituent ces corps sont affectées par cette force.

Les forces d’interaction nucléaires n’ont que des portées faibles : elles ne concernent que les éléments à l’échelle du noyau. La force nucléaire faible est responsable des désintégrations β+ et β-, intervenant lors de la désintégration radioactive de certains noyaux atomiques instables.

Interaction entre charges électriques statiques

Les interactions entre deux corps chargés électriquement sont causées et contrôlées par l’interaction électromagnétique.

Le sens de l'interaction électrique dépend du signe des charges qui interagissent : elle est répulsive pour des charges de même signe (les deux corps vont donc se repousser), ou attractive pour des charges de signes opposés (les deux corps vont alors s’attirer).

De manière relativement similaire, c’est ce que l’on peut observer lorsque l’on approche deux aimants l’un de l’autre : la réaction sera différente selon les pôles des aimants que l’on rapproche.

Soit deux corps ponctuels A et B possédant chacun une charge électrique respective qA et qB, et séparés par une distance d. Ces deux corps exercent l’un sur l’autre des forces FA→B et FB→A de même direction, de sens opposés et de même valeur.

Charge émectrique
Sens des forces électriques en fonction du signe des charges

La valeur de l'interaction est donnée par la loi des interactions électriques, également appelée loi de Coulomb :

    \[\overrightarrow{F_{A\rightarrow B}}=\overrightarrow{F_{B\rightarrow A}}=k\times\frac{\mid q_{A}\mid\times\mid q_{B}\mid}{d^{2}}\]

Les unités sont les suivantes :

  • Les forces sont exprimées en newtons (N)
  • Les charges qA et qB sont exprimées en coulombs (C)
  • La distance d est exprimée en mètres (m)
  • La constante k, aussi appelée constante de Coulomb, est définie à partir de la permittivité du vide et est égale à 9,0 x 109m2.C-2

Voir fiche de cours "L'univers et les interactions".

Interaction entre charges électriques en mouvement

Lorsque des charges sont en mouvement, elles produisent un champ magnétique à l'origine d'une force magnétique supplémentaire qui vient s'ajouter à la force de Coulomb : c’est la force de Lorentz.

Cette force fait intervenir le champ électromagnétique.

La résultante de la force de Coulomb et de la force de Lorentz est appelée la force électromagnétique, et c’est cette résultante qui permet la cohésion de l’atome, dont les particules sont en perpétuel mouvement.

Champ électrique d'une charge

Toute charge électrique crée dans l'espace qui l'entoure un champ électrique E, qui traduit l'action que subirait une hypothétique autre charge située dans cet espace.

Une charge ponctuelle q située en point A créé ainsi en un point B de l'espace un champ E :

  • dont la direction est celle de la droite (AB)
  • orienté dans le sens [AB] si la charge est positive, dans le sens [BA] si la charge est négative
  • de valeur égale à :

    \[E=\frac{k\times\mid q\mid}{AB^{2}}\]

Progresser en chimie
Champ électrique au voisinage d'une charge moins
Obtenir son bac de physique-chimie
Champ électrique au voisinage d'une charge plus

Dans le cas d'une répartition de charge en surface ou en volume, le champ électrique créé sera la résultante vectorielle des champs crées individuellement par chaque charge : il prend alors une orientation et une valeur qui dépend de la répartition des charges.

Charge soumise à un champ électrique

Par définition, toute charge électrique q situé en un point de l'espace où règne un champ électrique E est soumis à une force électrique F = q x E.

    \[\overrightarrow{F}=q\times\overrightarrow{E}\]

Les dipôles électriques

Un dipôle résulte de l'association d'une charge positive et d'une charge négative égales en valeurs absolues, mais avec des répartitions respectives dont les centres ne coïncident pas. Il y a une neutralité électrique globale et les charges se compensent mais localement, à proximité des charges, il existe un champ électrique qui permet à ce dipôle de participer à des interactions électriques. Ces dipôles sont caractérisés par leur moment dipolaire.

Voir aussi :

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Yann

Fondateur de Superprof et ingénieur, nous essayons de rendre disponible la plus grande base de savoir.
Passionné par la physique-chimie et passé par la filière scientifique au lycée, je partage mes cours (après les avoir mis à jour selon le programme de l’Éducation Nationale).