Charge électrique

Electromagnétisme
Électricité Magnétisme
Électrostatique Charge électrique Électricité statique Champ électrique Conducteur Isolant Triboélectricité Décharge électrostatique Induction La loi de Coulomb La loi de Gauss Flux électrique / énergie potentielle Moment dipolaire électrique Polarisation
Magnétostatique La loi d'Ampère Champ magnétique Magnétisation Flux magnétique Loi de Biot-Savart Moment de dipôle magnétique La loi de Gauss à magnétisme
Électrodynamique Droit de la force de Lorentz Induction électromagnétique La loi de Faraday La loi de Lenz Déplacement actuel Les équations de Maxwell Champ électromagnétique Un rayonnement électromagnétique Tenseur de Maxwell Vecteur de Poynting Potentiel Liénard-Wiechert Les équations de Jefimenko À courant de Foucault
Réseau électrique Courant électrique Potentiel électrique Tension Résistance La loi d'Ohm circuit de la série Circuit parallèle Courant continu Courant alternatif Force électromotrice Capacitance Inductance Impédance Cavités résonnantes Guides d'ondes
Formulation covariante Tenseur électromagnétique ( tenseur-énergie) Four à courant continu Potentiel électromagnétique à quatre
Les scientifiques Ampère Coulomb Faraday Gauss Heaviside Henri Hertz Lorentz Maxwell Tesla Volta Weber Ørsted

La charge électrique est une propriété fondamentale de certains conservé particules subatomiques, qui détermine leur interaction électromagnétique . Électriquement chargé matière est influencée par, et produit, les champs électromagnétiques. L'interaction entre une charge en mouvement et un champ électromagnétique est la source de la force électromagnétique , qui est l'un des quatre forces fondamentales.

Vue d'ensemble

La charge électrique est une caractéristique de certaines particules subatomiques, et est quantifiée lorsqu'elle est exprimée comme un multiple de la soi-disant élémentaire e de charge. Les électrons par convention ont une charge de -1, tandis que les protons ont une charge opposée d'une. Quarks avoir une charge fractionnaire de -1/3 +2/3 ou. Le antiparticules équivalents de ceux-ci ont la charge opposée. Il existe d'autres particules chargées.

En général, de même signe se repoussent les particules chargées un de l'autre, bien que différente signe particules chargées attirent. Ceci est exprimé quantitativement dans la loi de Coulomb , qui stipule l'ampleur de la force de répulsion est proportionnelle au produit des deux accusations, et affaiblit proportionnellement au carré de la distance.

La charge électrique d'un objet macroscopique est la somme des charges électriques de ses particules constitutives. Souvent, la charge électrique nette est égale à zéro, étant donné que naturellement le nombre d'électrons dans chaque atome est égal au nombre de protons , de sorte que leurs charges se annulent. Les situations dans lesquelles la charge nette est non nul sont souvent désignés comme électricité statique. En outre, même lorsque la charge nette est nulle, il peut être distribué de façon non uniforme (par exemple, en raison d'une externe champ électrique ), puis le matériau est dit polarisée, et la charge liée à la polarisation est connu comme la charge liée (alors que la charge excédentaire provenant de l'extérieur est appelé charge libre). Un mouvement ordonné de particules chargées dans une direction particulière (dans les métaux, ce sont les électrons) est connu comme courant électrique. La nature discrète de charge électrique a été proposée par Michael Faraday dans ses expériences d'électrolyse, alors directement démontrée par Robert Millikan dans son expérience oil-drop.

Le Unité SI la quantité d'électricité ou de charge électrique est la Coulomb, ce qui représente environ 6,24 × 10 ¹⁸ charges élémentaires (la charge sur un seul électron ou un proton). Le coulomb est définie comme la quantité de charge qui a traversé la section transversale d'un Conducteur électrique portant une ampères en une seconde. Le symbole Q est souvent utilisé pour désigner une quantité d'électricité ou de frais. La quantité de charge électrique peut être mesurée directement avec un électromètre ou indirectement mesurée avec un galvanomètre balistique.

Formellement, une mesure de la charge doit être un multiple de la charge élémentaire e (charge est quantifiée), mais comme il se agit d'une moyenne, quantité macroscopique, plusieurs ordres de grandeur supérieure à une charge élémentaire seule, il peut effectivement prendre ne importe quelle valeur réelle . En outre, dans certains contextes, il est utile de parler de fractions d'une charge; par exemple dans la perception d'un condensateur.

Histoire

La balance de torsion de Coulomb

Tel que rapporté par le philosophe grec Thalès de Milet autour 600 avant JC, la charge (ou d'électricité) pourraient être accumulés en frottant fourrure sur diverses substances, telles que l'ambre . Les Grecs ont noté que les boutons en ambre chargés pourraient attirer des objets légers tels que cheveux. Ils ont également noté que, se ils se frottaient l' ambre depuis assez longtemps, ils pourraient même obtenir une étincelle pour sauter. Cette propriété découle de la effet triboélectrique.

En 1600, le savant anglais William Gilbert revient sur le sujet dans le De Magnete, et a inventé le Nouveau mot electricus latine de ηλεκτρον (elektron), le mot grec pour "orange", qui a rapidement donné lieu à des mots anglais "électrique" et "électricité". Il a été suivi en 1660 par Otto von Guericke, qui a inventé ce qui était probablement la première Générateur électrostatique. Autres pionniers européens étaient Robert Boyle , qui, dans 1675 a déclaré que l'attraction et la répulsion électrique peuvent agir dans un vide; Stephen Gray, qui en 1729 produits classés comme conducteurs et isolants; et CF du Fay, qui a proposé de 1733 que l'électricité est venu en deux variétés qui a annulé l'autre, et a exprimé cela en termes d'une théorie à deux fluides. Quand le verre a été frotté avec de la soie, du Fay dit que le verre a été chargé d'électricité vitreuse, et quand l'ambre a été frotté avec de la fourrure, l'ambre a été dit être chargé d'électricité résineuse. En 1839 Michael Faraday a montré que la division apparente entre l'électricité statique, le courant électrique et la bioélectricité était incorrecte, et tous étaient une conséquence du comportement d'un seul type d'électricité apparaissant dans des polarités opposées. Il est arbitraire qui polarité vous appelez positive et que vous appelez négative. Charge positive peut être définie comme la charge à gauche sur une tige de verre après avoir été frotté avec de la soie.

Un des plus grands experts sur l'électricité dans le 18ème siècle était Benjamin Franklin , qui a plaidé en faveur d'une théorie d'un fluide de l'électricité. Franklin imaginait l'électricité comme étant un type de fluide présent invisible dans toutes les matières; par exemple il croyait que ce était le verre dans un Bouteille de Leyde qui a tenu la charge accumulée. Il a postulé que les surfaces isolantes ensemble frottement causé ce fluide pour changer d'emplacement, et en ce qu'un écoulement de ce fluide constitue un courant électrique. Il a également avancé que lorsque la matière contenait trop peu du fluide qu'il était "négative" chargé, et quand il avait un excès il a été «positivement» chargée. Arbitrairement (ou pour une raison qui n'a pas été enregistrée) il a identifié le terme «positif» avec électricité vitrée et «négative» à l'électricité résineuse. William Watson est arrivé à la même explication à peu près au même moment.

Nous savons maintenant que le modèle Franklin / Watson était fondamentalement correcte. Il ya un seul type de charge électrique, et une seule variable est nécessaire pour garder une trace de la quantité de charge. D'autre part, tout en sachant la charge ne est pas une description complète de la situation. La matière est composée de plusieurs types de particules électriquement chargées, et ces particules ont de nombreuses propriétés, non seulement charge.

Les porteurs de charge les plus communes sont le chargé positivement proton et la charge négative électrons . Le mouvement de l'un de ces particules chargées constitue un courant électrique. Dans de nombreuses situations, il suffit de parler de la courant conventionnel sans tenir compte de savoir si elle est effectuée par des charges positives qui se déplacent dans le sens des charges négatives de courant et / ou par classiques se déplaçant dans la direction opposée. Ce point de vue macroscopique est une approximation qui simplifie les concepts et les calculs électromagnétiques.

A l'extrême opposé, si l'on regarde la situation au microscope, on voit qu'il ya plusieurs façons de porter un un courant électrique, comprenant: un flux d'électrons; un flux d'électrons "trous" qui agissent comme des particules positives; et à la fois négatives et positives des particules ( ions ou d'autres particules chargées) circulant dans des directions opposées dans un électrolytique solution ou un plasma ).

Il faut remarquer que dans le cas courant et important de fils métalliques, la direction du courant conventionnel est opposée à la vitesse de dérive des porteurs de charge réelle, à savoir les électrons. Ce est une source de confusion pour les débutants.

Propriétés

Mis à part les propriétés décrites dans des articles sur l'électromagnétisme , la charge est un relativiste invariant. Cela signifie que toute particule qui a charge q, ne importe quelle vitesse il va, a toujours charge q. Cette propriété a été vérifiée expérimentalement en montrant que la charge de l'un d'hélium noyau (deux protons et deux neutrons liés ensemble dans un noyau et se déplacer à des vitesses élevées) est le même que deux noyaux de deutérium (un proton et un neutron liés ensemble, mais se déplacent beaucoup plus lentement qu'ils ne le feraient se ils étaient dans un noyau d'hélium).

Conservation de la charge

La charge électrique totale d'un système isolé reste constante, indépendamment des changements au sein du système lui-même. Ce droit est inhérent à tous les procédés connus de la physique et peut être obtenue dans une forme locale de invariance de jauge de la fonction d'onde. La conservation des résultats de charge dans la charge de courant équation de continuité. Plus généralement, la variation nette densité de charge dans un volume d'intégration est égale à l'aire intégrale sur la densité de courant sur la surface de la zone , Qui à son tour est égale à la net courant :

Ainsi, la conservation de la charge électrique, exprimée par l'équation de continuité, donne le résultat:

La charge transmise entre le temps et est obtenue en intégrant deux côtés:

où I est le courant net vers l'extérieur à travers une surface fermée et q est la charge électrique contenue à l'intérieur du volume défini par la surface.