Charge

On sait en physique que les électrons sont chargés négativement et les protons positivement. Chacun porte la charge élémentaire. Les électrons chargés négativement gravitent autour du noyau atomique, où se trouvent les protons chargés positivement. À l’intérieur d’un atome, il existe des charges différentes à différents endroits. Beaucoup de protons créent au total beaucoup de charge positive. Beaucoup d’électrons au même endroit chargent celui-ci plus négativement que s’il n’y avait que peu d’électrons. Le schéma de principe suivant illustre la structure d’un atome du point de vue de la charge :

Il n’existe que des multiples de la charge élémentaire e, jamais de fractions. La charge ne peut donc pas être divisée à volonté. Elle est liée aux constituants de l’atome. Une charge est toujours exprimée dans son unité, le C (coulomb). Un coulomb correspond à un ampère-seconde.

Le tableau ci-dessus définit la première unité de l’électrotechnique. Il vous faut en retenir le nom de la grandeur (charge), le symbole Q, ainsi que le nom et le symbole de l’unité, coulomb ou C. Si vous indiquez la charge d’un électron, vous l’écrivez ainsi :

La valeur numérique correspond à la charge élémentaire d’un proton ou d’un électron. En raison du signe négatif, il s’agit manifestement d’un électron. Les atomes et les molécules se composent d’électrons et de protons. Ils présentent des états de charge fondés sur un défaut ou un excès d’électrons. Il existe aussi des corps électriquement neutres, qui contiennent autant de protons chargés positivement que d’électrons chargés négativement. Et il existe des corps chargés positivement et des corps chargés négativement.

De même qu’un aimant attire un morceau de fer, des forces d’attraction et de répulsion s’exercent aussi sur les charges.

Une charge positive attire une charge négative. Elle repousse une autre charge positive. Une charge négative attire une charge positive et repousse une autre charge négative. L’attraction et la répulsion ont lieu en permanence dans un corps rempli d’électrons et de protons, car chaque charge agit sur toutes les autres charges de son voisinage.

Les charges de même signe (− et − ou + et +) se repoussent, les charges de signes opposés s’attirent. Le sens de la force peut être déterminé mathématiquement en formant le produit des charges. Si le produit est positif, les charges sont de même signe et se repoussent donc. Si le produit est négatif, une charge positive et une charge négative sont en jeu, et elles s’attirent.

Dans les solides, les protons sont fixes, c’est-à-dire immobiles (à l’échelle atomique). Les électrons sont mobiles ; leur mouvement peut être commandé techniquement. C’est pourquoi nous nous concentrons sur les électrons, car nous voulons séparer des charges. Pour cela, nous devons les déplacer de leur position initiale.

De même que l’énergie potentielle d’un corps augmente lorsqu’on le soulève, l’énergie électrique augmente lorsqu’un état de charge auparavant équilibré est déséquilibré. Considérons comme modèle deux corps électriquement neutres dans l’espace.

Les deux corps sont électriquement neutres, car ils comportent le même nombre d’électrons et de protons.

Procédons maintenant à une séparation de charges. On retire un électron au corps de droite et on le déplace vers le corps de gauche.

Pour séparer des charges (et augmenter ainsi l’état d’énergie des deux corps), il faut apporter de l’énergie au système. Une force F est nécessaire pour déplacer la charge et donc la séparer. Pour que la charge puisse passer d’un corps à l’autre, il faut créer un chemin entre les corps. La charge ne se déplace pas dans l’air, mais seulement dans des matériaux appropriés.

Après la séparation de charges, le chemin de liaison est supprimé dans le modèle. Le corps de gauche possède maintenant un électron de trop et le corps de droite un électron de moins. Le corps de gauche est chargé négativement, celui de droite positivement. Une force d’attraction s’exerce entre les corps de charges opposées. Cette nouvelle force d’attraction correspond exactement à la force investie auparavant dans la séparation des charges.

Pour le dire simplement : l’électron veut revenir. En termes physiques : tout système tend vers l’état d’énergie minimale. Sur les parties mobiles s’exerce toujours une force dans le sens où l’état d’énergie du système serait minimal après un déplacement.

Prenons comme analogie une pierre soulevée par une personne dans une pièce. La force de gravitation agit sur la pierre vers le bas (c’est-à-dire vers le centre de la Terre). L’état d’énergie le plus bas que la pierre puisse atteindre du point de vue de son énergie potentielle serait atteint si elle reposait sur le sol de la pièce (ou encore plus bas, mais ce n’est pas possible dans la pièce). L’énergie serait alors minimale pour la plus petite hauteur h possible.

Si l’on crée un chemin permettant à la pierre de bouger (la personne la lâche), la force de gravitation provoque un mouvement de la pierre vers le sol, car c’est là qu’elle est dans l’état d’énergie potentielle minimale. La force de ce mouvement vers le bas est exactement aussi grande que la force avec laquelle la pierre a été soulevée.

De manière générale : si nous exerçons une force F pour augmenter l’énergie d’un système, cette même force agit ensuite en sens inverse pour rétablir l’ancien état. Après une séparation de charges, l’énergie du système est plus élevée qu’avant. Il nous faut donc une force F pour séparer la charge. Ensuite, la même force F agit toujours sur les charges séparées dans le sens qui annule la séparation.

En électrotechnique, nous utilisons ces forces entre charges, par exemple, pour propulser une voiture électrique. Nous séparons d’abord des charges. Puis nous stockons l’énergie accrue sous forme de charges séparées, par exemple dans une batterie. Ensuite, vous accélérez dans la voiture électrique, et la force issue de la séparation des charges fait accélérer votre voiture.

Autres sources (en allemand) :

Leifi Physik : physique atomique, pertinent dans un premier temps jusqu’à la figure 6 seulement.
Leifi Physik : charge
Vidéo YouTube 1
Vidéo YouTube 2

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