Matériau à charge électrique
Observez un objet qui vous entoure. Si vous le brisez, par exemple une pierre, celle-ci se brisera en plusieurs morceaux plus petits. Si on la brise à nouveau, elle se fragmentera en morceaux encore plus petits. Que se passe-t-il si ces morceaux sont à nouveau brisés ? Bien sûr, ils se brisent et se fragmentent encore en morceaux encore plus petits. Peut-on diviser les pierres en morceaux toujours plus petits, jusqu'à l'infini ? En réalité, tout objet, s'il est divisé en morceaux plus petits, finira par atteindre un point où sa plus petite partie ne pourra plus être divisée. Cette plus petite partie d'un objet, qui ne peut plus être divisée, est appelée un atome. Un atome est donc la plus petite partie de toute matière dans l'univers.
Charge électrique dans les atomes
Les atomes sont composés d'électrons, de protons et de neutrons. Les protons et les neutrons forment le noyau atomique, dont le diamètre est d'environ 10⁻¹⁵ mètres . Les électrons se situent à l'extérieur du noyau et gravitent autour de celui-ci, à l'instar des planètes autour du Soleil. En supposant que le diamètre d'un atome soit de plusieurs kilomètres, le noyau a à peu près la taille d'une boule de billard, les électrons se trouvant à l'intérieur du noyau, à une distance d'environ 10⁻¹⁰ mètres . Entre le noyau et un électron se trouve le vide.
Les électrons, chargés négativement, se situent à la périphérie de l'atome, tandis que les protons, chargés positivement, se trouvent au cœur du noyau. Pour que les électrons restent en orbite autour du noyau et ne s'échappent pas de l'atome, le noyau, chargé positivement, exerce une force d'attraction sur eux. Cette force, qui maintient les électrons en orbite autour du noyau et les empêche de s'en échapper, est appelée force électrique.
À l'inverse, le noyau atomique contient des protons chargés positivement, qui se repoussent naturellement puisqu'ils ont la même charge. Pour maintenir la cohésion des protons au sein du noyau et les empêcher de s'en échapper, une force doit les maintenir ensemble. Cette force est appelée force nucléaire.
La masse d'un proton est presque identique à celle d'un neutron. Environ 99,9 % de la masse d'un atome est concentrée dans le noyau, tandis que les électrons ont une masse infime. La masse d'un électron (m<sub> e</sub> ) est de 9,1093897 × 10<sup> -31</sup> kg, celle d'un neutron (m<sub> n </sub> ) est de 1,6749286 × 10<sup> -27</sup> kg et celle d'un proton (m<sub> p</sub> ) est de 1,6726231 × 10<sup> -27</sup> kg.
Quantité de charge électrique
Les électrons sont chargés négativement, les protons positivement et les neutrons sont électriquement neutres. Les protons et les neutrons qui constituent le noyau atomique sont composés de quarks, dont les charges sont respectivement environ un tiers et deux tiers de celle des électrons. Les quarks sont les plus petites particules constituant les atomes, mais à ce jour, aucun quark n'a été observé à l'état isolé.
La charge élémentaire, exprimée en unités quantiques de charge, est la charge de l'électron ou du proton. La charge électrique d'un objet est un multiple de cette charge. Par exemple, si la plus petite coupure de monnaie est de 100 roupies, la somme d'argent que possède une personne est exprimée en multiples de cette unité. Ainsi, si je possède 100 000 roupies, ce montant est divisible par 100. Il serait étrange que je possède 100 002 roupies, car il n'existe pas de coupure de 2 roupies. De même, la charge d'un objet est quantifiée. La charge de l'électron est -e et celle du proton est +e. La charge d'un objet est un multiple de e, soit 1,60 × 10⁻¹⁹ coulomb , et peut être exprimée par la formule Q = ±Ne. Q = quantité de charge, ± représente le type de charge, N = entier, e = 1,60 x 10 -19 Coulomb.
Charge électrique dans les objets
Si un atome possède autant d'électrons que de protons, sa charge électrique totale est nulle et l'atome est neutre, c'est-à-dire qu'il ne porte aucune charge électrique. Le nombre de protons ou d'électrons dans un atome neutre est appelé numéro atomique (Z) . S'il y a plus d'électrons que de protons, l'atome est chargé négativement. Inversement, s'il y a moins d'électrons que de protons, l'atome est chargé positivement. Les atomes chargés négativement sont appelés ions négatifs , tandis que les atomes chargés positivement sont appelés ions positifs . Le processus d'absorption ou de libération d'électrons par un atome est appelé ionisation . Lorsqu'on dit qu'un atome est chargé, on fait référence à sa charge totale ou charge nette. Par exemple, un atome possédant 10 électrons et 7 protons est chargé négativement car il a 3 électrons en excès, chargés négativement. Sa charge nette est donc de 3, et sa charge atomique est négative. Les nombres 3, 7 et 10 ne sont que des exemples pour faciliter la compréhension. En réalité, la quantité de charge électrique d'un objet est un multiple de la charge de l'électron ou du proton.
Si un objet possède autant d'électrons que de protons, il est neutre, c'est-à-dire qu'il ne porte aucune charge électrique. Si un objet possède plus d'électrons que de protons, il porte une charge négative ; inversement, s'il possède moins d'électrons que de protons, il porte une charge positive. Un objet initialement neutre peut devenir négatif par ajout d'électrons, tandis qu'un objet devient positif par réduction du nombre d'électrons qu'il contient.
