Électricité statique

On a découvert il y a des siècles que certains types de matériaux s'attiraient mystérieusement après avoir été frottés les uns contre les autres. Par exemple, après avoir frotté un morceau de soie contre un morceau de verre, la soie et le verre auraient tendance à coller ensemble. En effet, il y avait une force d'attraction qui pouvait être démontrée même lorsque les deux matériaux étaient séparés :

Le verre et la soie ne sont pas les seuls matériaux connus pour se comporter ainsi. Quiconque a déjà frôlé un ballon en latex pour découvrir qu'il essaie de s'y coller a vécu le même phénomène. La cire de paraffine et le tissu de laine sont une autre paire de matériaux que les premiers expérimentateurs ont reconnus comme manifestant des forces d'attraction après avoir été frottés ensemble :

Ce phénomène est devenu encore plus intéressant lorsqu'on a découvert que des matériaux identiques, après avoir été frottés avec leurs chiffons respectifs, se repoussaient toujours :

Il a également été noté que lorsqu'un morceau de verre frotté avec de la soie était exposé à un morceau de cire frotté avec de la laine, les deux matériaux s'attiraient :

De plus, il a été constaté que tout matériau démontrant des propriétés d'attraction ou de répulsion après avoir été frotté pouvait être classé dans l'une des deux catégories distinctes :attiré par le verre et repoussé par la cire, ou repoussé par le verre et attiré par la cire. C'était soit l'un soit l'autre :il n'y avait pas de matériaux trouvés qui seraient attirés ou repoussés à la fois par le verre et la cire, ou qui réagissaient à l'un sans réagir à l'autre.

Plus d'attention a été dirigée vers les morceaux de tissu utilisés pour faire le frottement. Il a été découvert qu'après avoir frotté deux morceaux de verre avec deux morceaux de tissu de soie, non seulement les morceaux de verre se repoussaient, mais aussi les tissus. Même phénomène pour les morceaux de laine utilisés pour frotter la cire :

C'était vraiment étrange à voir. Après tout, aucun de ces objets n'a été visiblement altéré par le frottement, pourtant ils se sont définitivement comportés différemment qu'avant d'être frottés. Quel que soit le changement qui a eu lieu pour que ces matériaux s'attirent ou se repoussent les uns les autres, il était invisible.

Certains expérimentateurs ont émis l'hypothèse que des « fluides » invisibles étaient transférés d'un objet à un autre pendant le processus de frottement et que ces « fluides » étaient capables d'exercer une force physique à distance. Charles Dufay a été l'un des premiers expérimentateurs qui ont démontré qu'il y avait définitivement deux types de changements différents provoqués par le frottement de certaines paires d'objets ensemble. Le fait qu'il y avait plus d'un type de changement manifesté dans ces matériaux était évident par le fait qu'il y avait deux types de forces produites :attraction et répulsion . Le transfert de fluide hypothétique est devenu connu sous le nom de charge .

Un chercheur pionnier, Benjamin Franklin, est arrivé à la conclusion qu'il n'y avait qu'un seul fluide échangé entre les objets frottés, et que les deux "charges" différentes n'étaient rien de plus qu'un excès ou une déficience de ce fluide. Après avoir expérimenté la cire et la laine, Franklin a suggéré que la laine grossière enlevait une partie de ce fluide invisible de la cire lisse, provoquant un excès de fluide sur la laine et un manque de fluide sur la cire. La disparité résultante de la teneur en fluide entre la laine et la cire provoquerait alors une force d'attraction, car le fluide tentait de retrouver son ancien équilibre entre les deux matériaux.

Postuler l'existence d'un seul « fluide » qui a été gagné ou perdu par frottement explique le mieux le comportement observé :que tous ces matériaux tombent parfaitement dans l'une des deux catégories lorsqu'ils sont frottés, et plus important encore, que les deux matériaux actifs se frottent l'un contre l'autre. les autres entraient toujours dans des catégories opposées comme en témoigne leur attirance invariable les uns pour les autres. En d'autres termes, il n'y a jamais eu un moment où deux matériaux se sont frottés les deux est devenu positif ou négatif.

À la suite de la spéculation de Franklin selon laquelle la laine frottait quelque chose de la cire, le type de charge associé à la cire frottée est devenu connu sous le nom de « négatif » (parce qu'il était censé avoir un manque de liquide) tandis que le type de charge associé au frottement la laine est devenue connue sous le nom de « positive » (parce qu'elle était censée avoir un excès de liquide). Il ne savait pas que sa conjecture innocente causerait beaucoup de confusion pour les étudiants en électricité à l'avenir !

Des mesures précises de la charge électrique ont été effectuées par le physicien français Charles Coulomb dans les années 1780 à l'aide d'un appareil appelé balance de torsion mesurer la force générée entre deux objets chargés électriquement. Les résultats des travaux de Coulomb ont conduit au développement d'une unité de charge électrique nommée en son honneur, le coulomb . Si deux objets « ponctuels » (objets hypothétiques n'ayant pas de surface appréciable) étaient également chargés à une mesure de 1 coulomb, et placés à 1 mètre (environ 1 yard) l'un de l'autre, ils généreraient une force d'environ 9 milliards de newtons (environ 2 milliards livres), soit attirante, soit répulsive selon les types de charges impliquées. La définition opérationnelle d'un coulomb en tant qu'unité de charge électrique (en termes de force générée entre les charges ponctuelles) s'est avérée être égale à un excès ou un déficit d'environ 6 250 000 000 000 000 000 d'électrons. Ou, dit en termes inverses, un électron a une charge d'environ 0,00000000000000000016 coulombs. Étant donné qu'un électron est le plus petit porteur connu de charge électrique, ce dernier chiffre de charge pour l'électron est défini comme la charge élémentaire .

Il a été découvert bien plus tard que ce « fluide » était en fait composé de très petits morceaux de matière appelés électrons , ainsi nommé en l'honneur du mot grec ancien pour ambre :un autre matériau présentant des propriétés chargées lorsqu'il est frotté avec un chiffon.

La composition de l'atome

L'expérimentation a depuis révélé que tous les objets sont composés de « blocs de construction » extrêmement petits appelés atomes et que ces atomes sont à leur tour composés de composants plus petits appelés particules . Les trois particules fondamentales comprenant la plupart des atomes sont appelées protons , neutrons et électrons . Alors que la majorité des atomes ont une combinaison de protons, de neutrons et d'électrons, tous les atomes n'ont pas de neutrons; un exemple est l'isotope du protium (1H1) de l'hydrogène (hydrogène-1) qui est la forme d'hydrogène la plus légère et la plus courante qui n'a qu'un proton et un électron. Les atomes sont beaucoup trop petits pour être vus, mais si nous pouvions en regarder un, cela pourrait ressembler à ceci :

Même si chaque atome d'un morceau de matériau a tendance à se tenir ensemble, il y a en fait beaucoup d'espace vide entre les électrons et l'amas de protons et de neutrons résidant au milieu.

Ce modèle grossier est celui de l'élément carbone, avec six protons, six neutrons et six électrons. Dans n'importe quel atome, les protons et les neutrons sont très étroitement liés, ce qui est une qualité importante. L'amas étroitement lié de protons et de neutrons au centre de l'atome s'appelle le noyau , et le nombre de protons dans le noyau d'un atome détermine son identité élémentaire :changez le nombre de protons dans le noyau d'un atome, et vous changez le type d'atome qu'il est. En fait, si vous pouviez retirer trois protons du noyau d'un atome de plomb, vous auriez réalisé le vieux rêve des alchimistes de produire un atome d'or ! La liaison étroite des protons dans le noyau est responsable de l'identité stable des éléments chimiques et de l'échec des alchimistes à réaliser leur rêve.

Les neutrons ont beaucoup moins d'influence sur le caractère chimique et l'identité d'un atome que les protons, bien qu'ils soient tout aussi difficiles à ajouter ou à retirer du noyau, étant si étroitement liés. Si des neutrons sont ajoutés ou gagnés, l'atome conservera toujours la même identité chimique, mais sa masse changera légèrement et il peut acquérir d'étranges nucléaires propriétés telles que la radioactivité.

Cependant, les électrons ont beaucoup plus de liberté pour se déplacer dans un atome que les protons ou les neutrons. En fait, elles peuvent être chassées de leurs positions respectives (même en laissant complètement l'atome !) avec beaucoup moins d'énergie que ce qu'il faut pour déloger les particules dans le noyau. Si cela se produit, l'atome conserve toujours son identité chimique, mais un déséquilibre important se produit. Les électrons et les protons ont la particularité de s'attirer à distance. C'est cette attraction sur la distance qui provoque l'attraction entre les objets frottés, où les électrons sont éloignés de leurs atomes d'origine pour résider autour des atomes d'un autre objet.

Les électrons ont tendance à repousser d'autres électrons sur une distance, tout comme les protons avec d'autres protons. La seule raison pour laquelle les protons se lient dans le noyau d'un atome est due à une force beaucoup plus puissante appelée force nucléaire forte qui n'a d'effet que sur de très courtes distances. En raison de ce comportement d'attraction/répulsion entre les particules individuelles, on dit que les électrons et les protons ont des charges électriques opposées. C'est-à-dire que chaque électron a une charge négative et chaque proton une charge positive. En nombre égal au sein d'un atome, ils s'opposent l'un à l'autre de sorte que la charge nette au sein de l'atome est nulle. C'est pourquoi l'image d'un atome de carbone a six électrons :pour équilibrer la charge électrique des six protons du noyau. Si des électrons partent ou si des électrons supplémentaires arrivent, la charge électrique nette de l'atome sera déséquilibrée, laissant l'atome « chargé » dans son ensemble, l'amenant à interagir avec des particules chargées et d'autres atomes chargés à proximité. Les neutrons ne sont ni attirés ni repoussés par les électrons, les protons ou même d'autres neutrons et sont par conséquent catégorisés comme n'ayant aucune charge.

Le processus d'arrivée ou de départ des électrons est exactement ce qui se passe lorsque certaines combinaisons de matériaux sont frottées les unes contre les autres :les électrons des atomes d'un matériau sont forcés par le frottement de quitter leurs atomes respectifs et de se transférer aux atomes de l'autre matériau. En d'autres termes, les électrons constituent le « fluide » supposé par Benjamin Franklin.

Qu'est-ce que l'électricité statique ?

Le résultat d'un déséquilibre de ce « fluide » (électrons) entre les objets est appelé électricité statique . On l'appelle "statique" car les électrons déplacés ont tendance à rester stationnaires après avoir été déplacés d'un matériau isolant à un autre. Dans le cas de la cire et de la laine, il a été déterminé par d'autres expérimentations que les électrons de la laine se transféraient réellement aux atomes de la cire, ce qui est exactement à l'opposé de la conjecture de Franklin ! En l'honneur de la désignation de Franklin selon laquelle la charge de la cire est "négative" et la charge de la laine est "positive", on dit que les électrons ont une influence de charge "négative". Ainsi, un objet dont les atomes ont reçu un surplus d'électrons est dit négativement chargé, tandis qu'un objet dont les atomes manquent d'électrons est dit positivement chargé, aussi déroutant que ces désignations puissent paraître. Au moment où la véritable nature du « fluide » électrique a été découverte, la nomenclature de la charge électrique de Franklin était trop bien établie pour être facilement modifiée, et elle le reste à ce jour.

Michael Faraday a prouvé (1832) que l'électricité statique était la même que celle produite par une batterie ou un générateur. L'électricité statique est, pour la plupart, une nuisance. La poudre noire et la poudre sans fumée ont du graphite ajouté pour empêcher l'inflammation due à l'électricité statique. Cela endommage les circuits semi-conducteurs sensibles. Bien qu'il soit possible de produire des moteurs alimentés par des caractéristiques de haute tension et de faible courant de l'électricité statique, cela n'est pas économique. Les quelques applications pratiques de l'électricité statique incluent l'impression xérographique, le filtre à air électrostatique et le générateur haute tension Van de Graaff.

AVIS :

• Tous les matériaux sont constitués de minuscules « blocs de construction » appelés atomes .
• Tous les atomes naturels contiennent des particules appelées électrons , protons , et neutrons , à l'exception de l'isotope du protium (₁ H ¹ ) d'hydrogène.
• Les électrons ont une charge électrique négative (-).
• Les protons ont une charge électrique positive (+).
• Les neutrons n'ont pas de charge électrique.
• Les électrons peuvent être délogés des atomes beaucoup plus facilement que les protons ou les neutrons.
• Le nombre de protons dans le noyau d'un atome détermine son identité en tant qu'élément unique.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail sur l'électricité statique
• Feuille de travail sur la structure atomique