Introduction à l’électricité statique

L’électricité statique

Tu as probablement déjà ressenti l’électricité statique. Elle provoque le genre de petit choc que tu peux obtenir lorsque tu touches une poignée de porte. Elle peut aussi faire tenir tes cheveux debout lorsque tu retires ta tuque en hiver. Mais sais-tu pourquoi ces phénomènes se produisent?

La matière et les objets sont faits d’atomes et de groupes d’atomes appelés molécules. Au centre de chaque atome est le noyau. À l’intérieur du noyau, il y a des particules à charge positive (+) et des particules neutres (sans charge). Celles avec une charge positive s’appellent les protons et celles sans charge, les neutrons. Les particules avec une charge négative (–) se nomment les électrons et circulent en orbite autour du noyau.

Normalement, la matière et les objets ont une charge électrique neutre (ni positive ni négative), parce qu’ils comptent un nombre égal d’éléments positifs (les protons situés dans le noyau de l’atome) et négatifs (les électrons qui orbitent autour du noyau). 

Le savais-tu?
L’étude des charges électriques au repos se nomme l’électrostatique. 

Il est toutefois possible de donner une charge électrique à de la matière normalement neutre. Une des façons de faire est de frotter un objet contre un autre.

Prenons l’exemple d’un morceau de soie et d’une tige en verre : lorsqu’on frotte énergiquement la tige avec le tissu de soie, certains électrons sont transférés de la tige au tissu, ce qui fait que la tige prend une charge positive (ayant maintenant moins d’électrons), et la soie, une charge négative (plus d’électrons).

Lorsque tu descends dans une glissade au parc, les électrons se déplacent de ton corps à la glissade. Des charges positives s’accumulent alors dans les poils de tes bras et jambes et tes cheveux. Les objets qui ont la même charge se repoussent les uns les autres. Donc, chacun de tes poils et cheveux essaie de repousser son voisin. Parfois, cela signifie que tes cheveux se tiennent droits sur ta tête! 

La même chose se produit lorsque tu frottes un ballon (de fête, pas de basketball!) contre tes cheveux ou tes vêtements, surtout par temps sec. Essaie ensuite de mettre le ballon sur le mur et observe combien de temps il colle! En frottant, tu déplaces les électrons de ton corps vers le ballon. Il colle parce que le ballon a une charge plus négative que le mur. Les objets avec des charges opposées sont attirés les uns aux autres.

Mais pourquoi est-ce que les particules chargées se repoussent ou s’attirent? Parce qu’elles exercent une force autour d’elles. C’est ce qu’on appelle une force électrique. La zone autour de la particule affectée par cette force est appelée le champ électrique. Nous pouvons illustrer à quoi ressemble un champ électrique en dessinant des schémas avec des flèches appelées lignes de champ. Vous pouvez voir des exemples dans les images ci-dessous.

Les lignes de champs électriques s’éloignent toujours des charges positives. Et elles pointent toujours vers les charges négatives. Si les particules ont des charges opposées, leurs lignes de champ pointent les unes vers les autres. Si les particules ont la même charge, leurs lignes de champ pointent dans des directions opposées. 

Le savais-tu?
Les charges de particules voyagent mieux lorsqu’il y a de l’humidité dans l’air. Cela signifie que les objets ont moins de chance d’accumuler des charges positives ou négatives. Par contre, les chances sont bien plus grandes par une journée d’hiver sèche. C’est pourquoi tu peux avoir une drôle de coiffure lorsque tu enlèves ta tuque l’hiver!

Si deux matériaux avec des charges opposées se rapprochent l’un de l’autre, une étincelle peut se produire. Cette étincelle est le mouvement des électrons dans l’air! Vous avez peut-être déjà ressenti cela en touchant une poignée de porte après avoir marché sur du tapis. 

Nous pouvons aussi voir ce même genre d’« étincelle » électrique lors d’un orage. Nous appelons celles-ci des éclairs ou la foudre.  

Lors d’un orage électrique, des nuages passent les uns à côté des autres. Des électrons peuvent se déplacer d’un nuage à un autre. Ceci fait en sorte que les nuages accumulent de puissantes charges électriques positives ou négatives. Ces charges opposées s’attirent tellement qu’elles finissent par « bondir » dans l’air pour s’annuler les unes les autres. Ceci produit ainsi un spectacle lumineux… foudroyant!

La foudre peut se produire à l’intérieur d’un nuage, entre les nuages et entre les nuages et le sol. La foudre est la forme la plus puissante d’électricité statique que vous pouvez observer. C’est pourquoi les orages peuvent être très dangereux. Rappelez-vous, quand le tonnerre gronde, il faut vite se réfugier à l’intérieur.

La force électrostatique

La foudre est beaucoup plus forte que l’étincelle que vous pourriez ressentir lorsque vous touchez une poignée de porte! Mais pourquoi?

Nous savons que les charges positives et négatives interagissent. Mais la force de cette interaction est mesurée par la taille de la force électrostatique. Cette force est causée à la fois par la taille des charges électriques et la distance entre les charges. Étudions cela à l’aide d’un diagramme.

Les particules avec une charge positive sont étiquetées +q et les particules avec une charge négative comme –q. La distance entre les particules est étiquetée comme r. Les forces agissant sur les charges sont étiquetées F.

Vous pouvez calculer la force électrostatique entre deux particules à l’aide de la loi de Coulomb. Cette équation décrit la relation entre les charges des particules et la distance entre les particules. Le symbole k représente la constante de la Loi de Coulomb. 

Il y a deux choses importantes à comprendre quand on regarde cette équation :

1. Les valeurs de q1 et q2 sont multipliées ensemble. Donc, si les deux q1 et q2 sont positives, alors la force sera une valeur positive. Les particules se repousseront.
   Il en va de même si les deux q1 et q2 ont une valeur négative.
   
   Si q1 est positive et q2 est négative, alors la force aura une valeur négative. Il en va de même si q1 est négative et q2 est positive. Les particules s’attireront.
2. La force est proportionnelle à la racine carrée de la distance entre les particules. Cela signifie que plus les particules sont proches les unes des autres, plus la force sera forte.

Le savais-tu?
La loi de Coulomb porte le nom du physicien français Charles-Augustin de Coulomb. Il a établi sa loi en utilisant un instrument appelé une balance à torsion. Elle lui permettait de mesurer la force électrique statique de deux boules de métal chargées qui se repoussent ou s’attirent. Le coulomb, l’unité de charge électrique, a été nommé en son honneur.