La charge électrique

La valeur absolue de la charge d’un électron est de 1.602176634 × 10⁻¹⁹ coulombs : un coulomb correspond donc à la valeur absolue de la charge d’environ 6.24 milliards de milliards d’électrons.

Pourquoi un ballon frotté colle au mur

Frotte un ballon sur un pull en laine : il peut ensuite tenir tout seul contre un mur. Le film alimentaire adhère à un bol, une chaussette sort du sèche-linge collée à une chemise, un peigne passé dans des cheveux secs attire des bouts de papier. Il y a des milliers d’années, on observait déjà ce phénomène avec l’ambre, une résine d’arbre fossilisée : une fois poli, il attire des brins de paille. Le mot électrique vient du grec elektron, qui désigne l’ambre. Tous ces phénomènes sont des effets de la charge électrique et, dans chaque cas, la charge est apparue en frottant deux matériaux l’un contre l’autre.

Deux types de charges

Les expériences avec des tiges frottées montrent qu’il existe exactement deux types de charges. Frotte deux tiges de verre avec de la soie et suspends-les près l’une de l’autre : elles se repoussent. Les deux morceaux de soie se repoussent aussi. En revanche, une tige de verre et un morceau de soie s’attirent. Benjamin Franklin a appelé ces deux types positif et négatif. La règle tient en une phrase : les charges de même signe se repoussent, celles de signes opposés s’attirent. La force diminue quand les charges s’éloignent ; c’est pourquoi le ballon doit toucher le mur ou en être tout près.

D’où vient la charge ? Chaque atome possède un noyau contenant des protons positifs et, dans la plupart des atomes, des neutrons sans charge, entouré d’électrons négatifs. Un atome ordinaire compte autant d’électrons que de protons : sa charge totale est donc nulle, on dit qu’il est neutre. Les protons restent dans le noyau, mais certains électrons sont peu liés à l’atome. Le frottement transfère des électrons d’une surface à l’autre. Quand on frotte de l’ambre avec de la soie, l’ambre gagne des électrons et devient négatif ; la soie en perd et devient positive. Rien n’est créé : la charge ne fait que se déplacer.

Mesurer la charge : le coulomb

La charge se mesure en coulombs, de symbole C. La plus petite charge libre que l’on rencontre dans la matière ordinaire est celle d’un proton : c’est la charge élémentaire e. Depuis 2019, sa valeur est fixée exactement : e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C. Un électron porte −e et un proton +e. Comme la charge d’un électron représente une fraction infime d’un coulomb, un coulomb correspond à un nombre immense d’électrons : 1 ÷ (1.602176634 × 10⁻¹⁹) ≈ 6.24 × 10¹⁸. La charge d’un objet est toujours un multiple entier de e. Elle peut valoir 3e ou 1 000 000e, mais jamais 2.5e. Les physiciens disent que la charge est quantifiée.

La deuxième règle est la conservation de la charge : la charge totale d’un système isolé ne change jamais. Quand tu frottes le ballon sur tes cheveux, le ballon acquiert exactement autant de charge négative que tes cheveux acquièrent de charge positive. Leur somme reste nulle. Des ballons frottés aux collisions de particules, aucune violation de cette règle n’a jamais été observée.

Conducteurs et isolants

Dans les métaux, certains électrons ne sont attachés à aucun atome en particulier. Ces électrons libres peuvent se déplacer dans tout le morceau de métal : la charge y circule donc facilement. Ces matériaux sont des conducteurs ; le cuivre, l’aluminium, l’argent et l’or en sont de bons exemples. Dans le plastique, le caoutchouc, le verre et l’air sec, presque tous les électrons restent liés à leur atome : la charge se déplace très peu. Ce sont des isolants. Un câble domestique associe les deux : du cuivre à l’intérieur pour transporter la charge, du plastique à l’extérieur pour l’empêcher d’atteindre ta main. L’électrisation par frottement fonctionne mieux avec les isolants, car la charge transférée reste sur place au lieu de se disperser.

De la charge immobile à la charge en mouvement

Un ballon frotté garde sa charge jusqu’à ce qu’il touche quelque chose. Une pile fonctionne autrement : elle pousse continuellement les charges dans une boucle fermée de fil. Dans le laboratoire de circuits ci-dessous, les points bleus représentent les électrons qui se déplacent dans le fil. L’affichage indique combien de coulombs traversent la pile chaque seconde et convertit cette valeur en nombre d’électrons.