Phénomènes électrostatiques notion de charge électrique

Cours phénomènes électrostatiques, tutoriel & guide de travaux pratiques en pdf.

Notions générales

Phénomènes électrostatiques : notion de charge électrique

Quiconque a déjà vécu l’expérience désagréable d’une « décharge électrique » lors d’un contact avec un corps étranger connaît un effet électrostatique. Une autre manifestation de l’électricité statique consiste en l’attraction de petits corps légers (bouts de papier par ex.) avec des corps frottés (règles, pour continuer sur le même ex.). Ce type de phénomène est même rapporté par Thalès de Milet, aux alentours de 600 av. J.-C. : il avait observé l’attraction de brindilles de paille par de l’ambre jaune frotté… Le mot électricité, qu désigne l’ensemble de ces manifestations, provient de « elektron », qui signifie ambre en grec.

L’étude des phénomènes électriques s’est continuée jusqu’au XIXème siècle, où s’est élaborée la théorie unifiée des phénomènes électriques et magnétiques, appelée électromagnétisme. C’est à cette époque que le mot « statique » est apparu pour désigner les phénomènes faisant l’objet de ce cours. Nous verrons plus loin, lors du cours sur le champ magnétique, pourquoi il en est ainsi. On se contentera pour l’instant de prendre l’habitude de parler de phénomènes électrostatiques.
Pour les mettre en évidence et pour apporter une interprétation cohérente, regardons deux expériences simples.

Expérience 1 : Prenons une boule (faite de sureau ou de polystyrène, par ex.) et suspendons-la par un fil. Ensuite on approche une tige, de verre ou d’ambre, après l’avoir frottée préalablement : les deux tiges attirent la boule. Par contre, si l’on approche simultanément les deux tiges côte à côte, rien ne se passe.
Verre ou Ambre ++++++++++ Verre
Ambre – – – – – – – – –
Tout se passe donc comme si chacune des tiges était, depuis son frottement, porteuse d’électricité, mais que celle-ci pouvait se manifester en deux états contraires (car capables d’annuler les effets de l’autre). On a ainsi qualifié arbitrairement de positive l’électricité contenue dans le verre (frotté avec de la soie), et de négative celle portée par l’ambre (idem, ou encore du plastique frotté avec de la fourrure).

Expérience 2 : Prenons maintenant deux boules A et B, préalablement mises en contact avec une tige frottée (elles sont « électrisées »), et suspendons-les côte à côte. Si elles ont été mises en contact toutes deux avec une tige de même matériau, elles se repoussent.
Par contre, si elles ont été mises en contact avec des tiges de matériau différent (ex. A avec du verre frotté et B avec de l’ambre frotté), alors elles s’attirent. Si, du fait de leur attraction, elles viennent à se toucher, on observe qu’elles perdent alors toute électrisation : elles prennent une position d’équilibre vis-à-vis du leur poids.

Cette expérience est assez riche. On peut tout d’abord en conclure que deux corps portant une électricité de même nature (soit positive, soit négative) se repoussent, tandis qu’ils s’attirent s’ils portent des électricités contraires.
Mais cette expérience nous montre également que cette électricité est capable, non seulement d’agir à distance (répulsion ou attraction), mais également de se déplacer d’un corps à un autre. Mais alors qu’est-ce qui se déplace ? Si l’on suspend les boules à une balance, même très précise, nous sommes incapables de détecter la moindre variation de poids entre le début de l’expérience et le moment où elles sont électrisées. Pourtant, le fait qu’il soit nécessaire qu’il y ait un contact entre deux matériaux pour que l’électricité puisse passer de l’un à l’autre, semble indiquer que cette électricité est portée par de la matière.

On explique l’ensemble des effets d’électricité statique par l’existence, au sein de la matière, de particules portant une charge électrique q, positive ou négative, et libres de se déplacer. C’est Robert A. Millikan qui a vérifié pour la première fois en 1909, grâce à une expérience mettant en jeu des gouttes d’huile, le fait que toute charge électrique Q est quantifiée, c’est à dire qu’elle existe seulement sous forme de multiples d’une charge élémentaire e, indivisible (Q=Ne). La particule portant cette charge élémentaire est appelée l’électron.