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🌐 Electrostatics

Manuel de référence (en anglais)

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 : Charge positive (plus de protons que d’électrons), charge négative (plus d’électrons que de protons).
• 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 (électrons ou 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.

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

Loi de Coulomb en forme vectorielle

La force électrostatique, en tant que vecteur, $\overrightarrow{F_{ts}}$ entre deux charges ponctuelles $q_s$ (charge source) et $q_t$ (charge test), séparées par une distance $r$, est donnée par :

$\overrightarrow{F_{ts}}=k_e\frac{q_s{q}_t}{r^2}\hat{r}$

où :

• $\overrightarrow{F_{ts}}$ : Force (vecteur) sur la charge test due à la charge source
• $k_e$ : Constante électrostatique, environ $8.99\times 10^9{\text{N m}}^2/{\text{C}}^2$
• $q_s$ : Charge source (celle qui exerce la force)
• $q_t$ : Charge test (celle qui subit la force)
• $r$ : Distance entre les charges
• $\hat{r}$ : Vecteur unitaire (de longueur un) pointant de la charge source vers la charge test

Effet triboélectrique / série triboélectrique

L’effet triboélectrique est un phénomène par lequel certains matériaux deviennent électriquement chargés après être entrés en contact puis séparés. Cet effet survient en raison du frottement, qui provoque un transfert d’électrons entre les matériaux. En conséquence, un matériau gagne des électrons (il devient chargé négativement) et l’autre perd des électrons (il devient chargé positivement).

Les différents matériaux ont des tendances variables à gagner ou perdre des électrons, 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, tandis que 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 génèrent de l’électricité statique.

Simulations d’électrostatique

Voici quelques liens pour expérimenter avec des charges :

• Attention à John Travolta !
  

• Chargez un ballon
  

Ces liens et d’autres se trouvent ici :

http://www.thephysicsteacher.ie/lcphysics19staticelectricity.html

Voyez comment la foudre frappe :

Animation sur la foudre

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