La matière est constituée d'atomes. Ces derniers ont un noyau constitué de protons et de neutrons autour duquel se trouve des électrons.

Les protons ont une charge élémentaire positive, les neutrons n'ont pas de charge, et les électrons ont une charge élémentaire négative.

Cette charge élémentaire, la plus petite possible, correspond à \(e = 1,6 \cdot 10^{-19}\) Coulomb.

On a remarqué depuis plusieurs siècles que des charges de même signe se repoussent et des charges de signes opposées s'attirent.

Dans les matières conductrices, certains électrons peuvent facilement se déplacer. Dans les matières isolantes, beaucoup moins facilement.

Il est possible d'arracher des électrons ou d'en donner en excès, il y a aura alors une charge globale multiple de \(e\).

Source :edumedia

Source : edumedia

Force de Coulomb

Plus précisément, la force que subissent des particules à cause de leur charge est la force de Coulomb, qui s'exprime ainsi.

\[ F = k \cdot  \frac{\lvert q_1 \rvert \cdot \lvert q_2 \rvert}{r^2} \]

Avec

\(k\) une constante valant \(9 \cdot 10^{9}\) \(N \cdot m^2/ C^2\)

\(q_1\) la charge de la première particule en C

\(q_2\) la charge de la deuxième particule en C

\(r\) la distance entre les particules en m

Pour être plus précis, la force est un vecteur dont la direction est l'axe entre les deux particules. Cette force est attractive pour deux charges de signes différents et répulsive pour deux charges de même signe, comme énoncé avant.

Lorsqu'il y a plusieurs charges, la force totale subie par une particule est la somme vectorielle des forces due à chaque particule.

\[ \vec{F_{tot}} = \vec{F_1} + \vec{F_2} + \vec{F_3} + ... = \sum_i \vec{F_i}\]

Champ électrique

On définit le champ électrique du à une charge en tout point de l'espace par le rapport de la force \(F\) que subirait une charge test \(q\) divisé par cette même charge test.

\[ \vec{E} = \frac{\vec{F}}{q}\]

Le champ est alors

\[E = \frac{F}{q} = \frac{k \cdot q_1 \cdot q}{q \cdot r^2} = \frac{k \cdot q_1}{r^2}\] et est indépendant de la charge test utilisée.

La force devient alors \(F = qE\)

Et s'il y a plusieurs charges, le champ électrique totale est la somme des champs dus à chaque charge.

\[ \vec{E_{tot}} = \vec{E_1} + \vec{E_2} + \vec{E_3} + ... = \sum_i \vec{E_i}\]

Energie potentielle et potentiel

Liée à la force de Coulomb, on a l'énergie potentielle électrique. La différence d'énergie potentielle électrique correspond à l'énergie qu'il faut pour amener une charge test \(q\) d'un point à un autre parmi un champ électrique \(E\). Cela correspond à l'opposé du travail de la force de Coulomb, en Joules (J).

\[ \Delta E_{potentielle \, électrique} = -W\]

Mais de nouveau, afin d'être indépendant de la charge d'essai utilisée, on peut définir la différence de potentiel électrique \(\Delta V\) par le rapport de la différence d'énergie potentielle par la charge de la particule

\[ \Delta V = \frac{\Delta E_{potentielle \, électrique}}{q}\] 

On obtient alors une différence de potentiel en Volt (V) indépendante de la charge test utilisée, définit uniquement par la distribution de charge initiale.

Source : phetcolorado

Cage de Faraday

Pour résumer et parler de la cage de Faraday, une petite vidéo.