1eS - Chap 02 - Les interactions fondamentales

I ) Les interactions électriques :

1) L’électrisation par frottement :

  a) Expérience 1 :

Frotter la règle en PVC avec un chiffon de laine et approcher la du pendule. On évite le contact qui est étudié ensuite.

 

Observation : Le pendule est attiré par la règle.

Même expérience avec une baguette de verre.

 

Observation : Le pendule est attiré par la baguette.

La règle en PVC et la baguette de verre frottées par de la laine attirent les corps légers à distance. 

Elles sont électrisées par frottement.

 

Remarque (prof) : Le PVC et le verre sont 2 matières isolantes, qui sont ici électrisées localement au bout et ces charges ne peuvent donc pas se déplacer. On peut la toucher avec la main sans les décharger. Dans le cas, d’une matière conductrice, il faut la tenir avec un isolant sinon la main va la décharger.

 

 

  b) Expérience 2 :

On fabrique des rails avec 2 pailles plantées dans 2 supports mousse. On électrise 2 pailles par frottement et les approchent sur les rails.

 

Observation : Les 2 pailles se repoussent.

On remplace une paille par une baguette de verre électrisée.

 

Observation : La paille légère est attirée par la baguette de verre.

 

Conclusion : Des corps électrisés peuvent s’attirer ou se repousser. On interprète cela en admettant l’existence de 2 types de charges électriques : les charges ⊕ et les charges  ⊝ .

 

Interprétation : Deux corps portant des charges de même signe se repoussent alors que deux corps portant des charges de signe contraire s’attirent.

Par convention, le verre frotté par la laine porte une charge électrique ⊕ alors que le PVC frotté par de la laine porte une charge ⊝ .

2 ) Interprétation microscopique :

Toute matière est constituée d’atomes électriquement neutres. Par frottement, des électrons sont arrachés en surface, ils passent d'un corps à l'autre.

La règle en PVC frottée arrache des électrons à la laine et se charge négativement, alors que le verre frotté cède des électrons et se charge positivement.

 

Remarque (prof) : Dans l'expérience 1, lorsque la règle PVC chargée négativement s'approche de la boule d'aluminium, les électrons libres des atomes Al sont repoussés vers le côté opposé.

Le côté de la boule vers la règle est donc chargé ⊕ est donc attiré par la règle PVC chargé  ⊝ .

3 ) Electrisation par contact :

On reprend l'expérience 1 jusqu'à ce que la règle touche la boule.

Quand on approche la règle électrisée du pendule, celui-ci est attiré puis repoussé dès qu’il y a eu contact.

La règle en PVC porte des charges  ⊝  dues à un excès d’électrons ; lors du contact pendule - règle, une partie de l’excès d’électrons de la règle, passe sur le pendule : Il s’agit d’une électrisation par contact.

4) Conducteurs et isolants :

Dans un isolant, les déplacements des électrons des atomes sont inférieurs à la taille atomique. Le verre, le PVC et les plastiques sont des isolants.

Dans un conducteur, certains électrons des atomes peuvent se déplacer librement d'atome en atome. Les métaux et le carbone graphite sont des conducteurs.

On appelle porteurs de charges, des entités microscopiques chargées électriquement qui peuvent se déplacer dans un conducteur. Dans un métal, ce sont les électrons (de conduction).

Dans une solution conductrice (électrolyte), ce sont les ions.

5) Interaction électrique :

a) Mise en évidence :

On reprend l'expérience 2.

 

Observation : Les deux pailles électrisées se repoussent l’une l’autre.

 

Interprétation : Des forces d’interaction électrique s’exercent sur les pailles qui portent des charges de même signe.



b) Loi de Coulomb :

Deux corps ponctuels A et B, séparés par une distance AB et portant respectivement les charges qA et qB sont soumis a une force telle que :

FA/B  = FB/A  = k . | qA . qB | / AB2     (intensité)     qA , qB charges mesurées en Coulomb (C)

k : constante :  k = 9,0.109 U.S.I.  (N.m2.C2)  valeur dans le vide ou dans l'air

AB distance en mètre (m) ;  F intensité de force en Newton (N)

expression vectorielle :  

A/B = ( k.qA.qB / AB2 ) . AB  = - B/A     

avec AB vecteur unitaire de A vers B

* si A et B ont des charges de même signe

* si A et B ont des charges de signe contraire

 

Remarque : la loi de coulomb reste valable si A et B sont les centres d’objets sphériques chargés de façon uniforme ou à répartition sphérique.

II ) L'interaction gravitationnelle :

Elle est responsable de la forme et de l'existence des galaxies, des étoiles et des planètes. Elle régit le mouvement des satellites, des corps célestes et des galaxies.

Les forces gravitationnelles ont une portée infinie et sont attractives.

 

Loi de Newton : Deux corps ponctuels A et B, de masse mA et mB , s’attirent mutuellement du fait de leur masse :

A exerce sur B une force A/B qui attire B ; B exerce sur A une force B/A qui attire A.

Leurs directions sont celle de la droite AB et leurs intensités égales sont telles que :

FA/B = FB/A = G.mA.mB / AB2

G : constante universelle de gravitation ,  G = 6,67.10-11 U.S.I   (N.m2.kg-2)

AB : distance en mètre (m)  ;   mA et mB : masses en kg

A/B  = - (G. mA.mB / AB2) uAB = - B/A 

 

Remarque : La plupart des objets ne sont pas ponctuels. Les objets à répartition sphérique de masse peuvent être considérés comme ponctuels, leur masse étant concentrée en leur centre.

La Terre, la lune, les planètes, le soleil et les autres étoiles sont des corps à répartition sphérique de masse. On peut donc leur appliquer la loi de Newton.

 

* Cas particulier du voisinage de la terre :

Tout corps situé au voisinage de la terre subit de sa part une attraction qui est confondue avec le poids du corps.

Malgré leur similitude, il existe plusieurs différences entre l’interaction gravitationnelle et l’interaction électrostatique : la première est toujours attractive alors que l’autre peut être soit attractive soit répulsive ; les ordres de grandeurs de k et G sont différents ( l’attraction gravitationnelle est négligeable sauf si au moins l’un des deux corps à une très grande masse )

III ) Etude des interactions d'un noyau d'atome

Le noyau atomique est constitué de protons et de neutrons. Deux protons séparés de 10-14 m subissent une interaction gravitationnelle de valeur F1 = 1,86.10-36 N et une force F2 = 2,3 N, répulsive d’origine électrostatique. Les protons d’un atome devraient donc s’éloigner les uns des autres…mais ce n’est pas le cas. Il existe , au niveau des noyaux une interaction qui évite cette dispersion des protons : l’interaction forte.

Cette interaction forte est de très courte portée ( de l’ordre de 10-14 m ), elle est attractive et se manifeste au niveau des nucléons, qu’ils  soient protons ou neutrons.

Pour deux nucléons séparés d’une distance de l’ordre 2.10-15m , elle est 100 à 1000 fois plus forte que l’interaction proton- proton.

V ) Cohésion de la matière :

1)     A l’échelle atomique et humaine :

L’interaction électrique est responsable de la cohésion de la matière à cette échelle . Elle  se manifeste par exemple entre le noyau et les électrons, entre des ions de signes opposés dans un cristal ionique…et même dans le cas de solides ou liquides moléculaires.

 

2)     A l’échelle astronomique :

L’interaction gravitationnelle assure la cohésion de l’univers. ( les planètes, étoiles etc sont électriquement neutres, la force électrique ne se manifeste pas )

 

3)     A l’échelle du noyau :

C’est l’interaction forte qui assure la cohésion de la matière à l’échelle du noyau.

Il existe des noyaux dans lesquels le nombre de protons est si important que les forces de répulsions proton- proton peuvent l’emporter sur les interactions fortes et conduire à des noyaux instables qui se désintègrent : c’est le phénomène de radioactivité

( il se manifeste pour les noyaux lourds,  de numéro atomique  élevé, souvent supérieur à Z = 92 ).

 

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