L’ÉLECTRICITÉ
CONTENU SCIENTIFIQUE
I - LES CHARGES ÉLECTRIQUES
Frottons deux ballons de baudruches identiques et attachés à un point commun (trombone) au plafond, avec une peau de chat. On voit qu’ils se repoussent. Lorsqu’on allume un briquet en dessous, ils se rapprochent (première vidéo ci-contre à droite).
Explication : Lorsqu’on frotte les deux ballons, il se développe des charges
électriques sur leur surface. Par symétrie, elles sont forcément identiques et l’on en
déduit donc que deux charges identiques se repoussent.
Le briquet chauffe l’air
qui s’ionise (plasma) et devient conducteur de l’électricité. Les ballons se
déchargent et retombent.
Mais la main attire
le ballon : (deuxième vidéo).
Pour interpréter ces phénomènes
d’attraction-répulsion, on est amené à imaginer deux types de charges
+ et - (On peut montrer que les ballons sont chargés négativement) et
:
Mais, qu’est-ce exactement qu’une charge électrique? C’est une invention
humaine; la réalité est que les particules élémentaires constituant l’univers se
regroupent en 3 catégories :
La première catégorie est celle des particules
neutres (neutrino par exemple) qui n’agissent pas électriquement.
Les deux
autres catégories agissent, et sont telles que deux particules d’une même catégorie
se repoussent et attirent les particules de l’autre catégorie :
Catégorie des
charges + (proton par exemple) et des charges - (électron par exemple). Le choix
de la catégorie appelée + est bien sûr arbitraire et n’a pas de signification
physique.
On arrive ainsi au modèle de BOHR de l’
atome d’hydrogène :
Un électron
négatif tourne autour d’un proton positif qui l’attire, mais la force centrifuge lui
permet de rester à distance.
Les atomes se lient ensuite par la force électrique
pour former des molécules. L’eau est ainsi constituée de molécules d’eau constituées
de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène :
Un reliquat de
force électrique
(forces de Van der Waals) fait que les molécules s’attirent.
Leur agitation qui augmente avec la température (agitation thermique) a
tendance à les écarter (d’où la dilatation). Suivant la température, elles
seront donc plus ou moins regroupées : d’où les
solides
, les liquides et les
gaz
II - CONDUCTEUR ET ISOLANT
La matière ordinaire est neutre (elle contient autant de + que de -) et les effets électriques s’annulent à grande distance laissant ainsi la place à grande échelle (astronomie) à la gravitation, cette dernière étant absente à petite échelle (objets familiers) à cause de sa faible intensité. La gravitation est en effet environ 1040 fois plus faible que l’interaction électrique.
Un solide est constitué d’atomes fixes
avec leurs électrons des couches
profondes (proches du noyau) et d’un reliquat d’électrons périphériques qui peuvent
se déplacer librement dans un
conducteur
: -, ou sont fixés : dans un
isolant
; le
cercle signifie, par convention, que la charge est fixe en pouvant bien sûr osciller sur
place.
Pour un gaz, à haute température, les chocs entre atomes éjectent des
électrons libres. Le gaz devient un plasma : expérience des deux ballons et du
briquet; foudre.
Mais comment se fait-il que les électrons mobiles d’un conducteur, et qui
s’agitent en permanence, ne quittent pas ce conducteur, ne s’évaporent pas?
On pourrait donner la réponse suivante : Lorsqu’un électron quitte le
conducteur, il laisse une charge positive non compensée à l’intérieur qui l’attire.
Cependant, si l’on prend un conducteur chargé négativement, comme le pôle
- d’une pile par exemple, les électrons ne s’en échappent pas et le raisonnement
précédent ne s’applique plus. L’électron qui s’échappe voit une charge totale
négative qui devrait le repousser.
En fait, un électron à une certaine distance
d’un conducteur, repousse les électrons mobiles les plus proches de lui qui sont dans
le conducteur, et crée sur la surface du conducteur une zone positive qui
l’attire.
Nous modélisons cela dans l’animation
suivante :
Un conducteur
est représenté par une sphère rouge, la charge positive (qui est répartie
d’une manière homogène) totale valant 1. Un électron est placé immobile à
l’intérieur au voisinage du centre, et un autre est placé immobile à l’extérieur.
Dans un premier temps, l’électron extérieur voit une charge totale nulle
et ne réagit pas.
L’électron intérieur, au centre, est soumis à une
force pratiquement nulle de la part des charges positives, par symétrie, et
est repoussé par l’électron du dehors. Il part à droite, laissant une charge
positive excédentaire vers l’électron extérieur. Ce dernier est donc alors
attiré vers la droite , la force diminuant avec la distance, et rentre dans le
métal.
Le modèle précédent permet de comprendre la stabilité de l’ion hydrure
H- = H + e- .
Bien sûr, ce modèle ne correspond pas à la réalité (mécanique
quantique). Mais le mécanisme réel fait bien intervenir les interactions répulsives
entre électrons.
De la même manière qu’un électron est attiré (donc attire) un métal conducteur, quelle que soit la charge de ce dernier, un ballon chargé est attiré par une plaque métallique conductrice (vidéos 3 et 4).
Le fait que la main attire le ballon (vidéo 5)
montre que le corps humain est conducteur de
l’électricité; d’où les dangers de l’électricité.
Un isolant comme
le polystyrène
par exemple, n’attire pas le ballon (vidéo 6).
Le fait que ces expérience d’électrostatiques permettent de distinguer les conducteurs des isolants, comme le courant électrique usuel, montre bien le lien de nature entre l’électricité statique et le courant électrique.
Le fait qu’un électron ne puisse pas sortir d’un fil, mais puisse circuler le long du fil, mène au circuit électrique.