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La charge électrique |
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La
charge
électrique est une propriété fondamentale
de la matière qui détermine l'interaction
des particules avec les champs électromagnétiques. Elle est à l'origine
des phénomènes électriques et magnétiques
et joue un rôle central en physique, notamment
dans l'électromagnétisme. Cette propriété
est portée par certaines particules élémentaires,
comme les électrons, qui possèdent une charge
négative, et les protons, qui portent une charge
positive de même intesité. Les neutrons, en
revanche, sont électriquement neutres.
La charge électrique se manifeste par des forces d'attraction ou de répulsion entre objets chargés : des charges de même signe se repoussent, tandis que des charges de signes opposés s'attirent, conformément à la loi de Coulomb. L'unité de mesure de la charge électrique dans le Système international d'unités (SI) est le coulomb (C). La charge élémentaire, notée e , (celle qui est portée par un proton ou un électron, notamment) est la plus petite quantité de charge libre existant dans la nature, et vaut environ 1,602.10−19 coulomb. Toute charge macroscopique est donc un multiple entier de cette charge élémentaire, ce qui illustre la nature discrète (= quantifiée) de la charge électrique. Un principe fondamental est la conservation de la charge électrique : dans un système isolé, la somme algébrique des charges reste constante, même si elles peuvent se déplacer ou se recombiner. Ainsi, lors d'une réaction chimique ou d'une interaction entre particules, la somme des charges avant et après le processus reste identique. Ce principe, fondamental dans la compréhension des phénomènes électriques et électromagnétiques, est universel et s'applique à toutes les interactions connues en physique. La charge électrique peut être transférée d'un objet à un autre, notamment par conduction, induction ou frottement. Par exemple, lorsqu'on frotte un bâton d'ébonite avec un tissu de laine, des électrons passent de la laine à l'ébonite, qui devient chargée négativement, tandis que la laine acquiert une charge positive. Ce phénomène illustre la séparation de charges, qui peut produire des effets électrostatiques visibles, comme l'attraction de petits morceaux de papier. Elle est à l'origine des champs électriques, qui exercent des forces sur d'autres charges, et elle est intimement liée au mouvement des particules chargées qui produit des champs magnétiques. Ces interactions électriques et magnétiques sont indissociables et constituent les bases de nombreuses applications technologiques. Elle permet le fonctionnement des circuits électriques, des dispositifs électroniques, des moteurs, et est impliquée dans les processus biologiques comme la transmission nerveuse. Sa compréhension a conduit au développement de la théorie de l'électromagnétisme, notamment à travers les équations de Maxwell, qui unifient l'électricité, le magnétisme et la lumière. La
cosntitution du concept de charge électrique.
Dans la première moitié du XVIIIe siècle, Charles François du Fay et Stephen Gray, développèrent une classification des charges électriques. Du Fay identifia deux types de "fluides" électriques : un fluide positif et un fluide négatif. Selon lui, lorsqu'un objet est chargé positivement, il manque de ce fluide, tandis qu'un objet chargé négativement en contient trop. En 1752, Benjamin Franklin proposa une théorie alternative qui simplifiait la conception des charges électriques. Franklin suggéra qu'il n'y avait qu'un seul type de fluide électrique, et que la charge électrique pouvait circuler dans un circuit. Lorsqu'un objet est chargé positivement, il a perdu du fluide électrique; lorsque c'est négativement, il en a acquis. L'idée d'un "fluide" électrique ne correspond pas exactement à notre compréhension moderne, mais elle est à l'origine de la notion moderne de charge électrique positive et négative. D'ailleurs, Franklin inventa également le terme "positif" et "négatif" pour désigner ces deux types de charges. À la fin du XVIIIe siècle, les travaux de Coulomb sur la loi de l'attraction et de la répulsion entre charges permirent de mieux comprendre les interactions entre les charges électriques. En 1785, Coulomb démontra expérimentalement que la force entre deux charges était proportionnelle au produit des charges et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. Cette découverte permit de formaliser mathématiquement le concept de charge électrique. Au XIXe siècle, Michael Faraday contribua à élaborer une vision plus physique de la charge électrique en introduisant le concept de champ électrique. Faraday imagina que l'espace autour d'une charge portait une influence électrique, qu'il appela "champ", qui pouvait agir sur d'autres charges présentes dans ce champ. Ce modèle fit progresser la compréhension des interactions électriques et préfigura les lois de Maxwell, qui formalisèrent la relation entre champs électromagnétiques et mouvements de charges. James Clerk Maxwell, dans les années 1860, a formalisé les travaux de Faraday en établissant ses équations, qui unifient les phénomènes électriques et magnétiques. Maxwell a montré que les variations temporelles des champs électriques et magnétiques peuvent générer des ondes électromagnétiques, dont la lumière fait partie. Ses équations ont permis de mieux comprendre comment la charge électrique interagit avec le champ qu'elle crée, et ont ouvert la voie à l'étude des interactions à grande échelle. La découverte des quanta d'énergie par Max Planck en 1900 et les travaux subséquents d'Albert Einstein sur la photoélectricité ont introduit l'idée que l'électricité, comme toute autre forme d'énergie, est quantifiée. La charge électrique n'est donc pas une entité continue, mais se manifeste en valeurs discrètes multiples de la constante élémentaire e, la charge de l'électron. Cette découverte a profondément transformé la compréhension de la nature de la charge électrique, la plaçant dans le cadre de la mécanique quantique. En 1913, Niels Bohr a proposé un modèle atomique semi-classique où les électrons orbitaient autour du noyau en conservant des niveaux d'énergie discrets. Dans ce modèle, la quantification de l'énergie des électrons était liée à leur quantification de charge. Ce travail a conduit à une meilleure compréhension des propriétés des atomes et des molécules, et a renforcé l'idée que la charge électrique est une propriété intrinsèque des particules subatomiques. Avec le développement de la théorie de la relativité restreinte et générale, la charge électrique a été intégrée dans le cadre de la théorie des champs. En particulier, la théorie de la relativité a montré que la charge électrique est invariante dans toutes les références inertielles, ce qui a permis de formaliser la symétrie de Lorentz dans les interactions électromagnétiques. La découverte des quarks dans les années 1960 a permis de comprendre que les protons et les neutrons sont composés de particules plus élémentaires, chacune portant une fraction de la charge élémentaire e. Les quarks portent une charge fractionnaire, soit + ⅔ e pour les quarks de type up et charm, soit -⅓ e pour les quarks de type down et strange. Ces découvertes ont permis de mieux comprendre la structure interne des particules chargées et ont renforcé l'idée que la charge électrique est une propriété fondamentale des interactions fondamentales de la nature. La théorie des supercordes et d'autres approches de la physique des hautes énergies tentent aujourd'hui de fournir une description unifiée de toutes les forces fondamentales de la nature. Dans ces théories, la charge électrique pourrait être comprise comme une manifestation de structures plus fondamentales, comme des états de vibration de supercordes ou d'autres objets subatomiques. |
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