Électrostatique - Définition
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Introduction
L'électrostatique est la branche de la physique qui étudie les phénomènes créés par des charges électriques statiques pour l'observateur.
Depuis l'Antiquité il est connu que certains matériaux, dont l'ambre attirent des objets de petite taille après avoir été frottés. Le mot grec pour ambre, ήλεκτρον (électron), a donné son nom à de nombreux domaines scientifiques. L'électrostatique décrit notamment les forces qu'exercent les charges électriques entre elles : il s'agit de la loi de Coulomb. Cette loi énonce que la force F créée par une charge Q sur une autre charge q est proportionnelle au produit de ces deux charges et à l'inverse au carré de la distance les séparant.
Bien qu'elles semblent à notre échelle relativement faibles, les forces d'origine électrostatique entre un électron et un proton, par exemple dans un atome d'hydrogène, sont de 40 ordres de grandeurs supérieures aux forces de gravitation agissant entre eux.
Les domaines d'étude couvert par l'électrostatique sont nombreux : de l'électricité statique, à l'explosion des silos à grain en passant par certaines technologies de photocopieurs ou encore la foudre. Les lois de l'électrostatique se sont avérées également utiles en biophysique dans l'étude des protéines. Ses extensions aux charges en mouvement sont étudiées dans le cadre de l'électromagnétisme qui elle-même est généralisée par l'électrodynamique quantique.
Généralités
Il existe une expérience simple, que tout le monde peut faire, permettant de percevoir une force électrostatique : il suffit de frotter une règle en plastique avec un chiffon bien sec et de l’approcher de petits bouts de papier : c’est l’électrisation. Les papiers se collent à la règle. Les corps électrisés possèdent de l’électricité. L’expérience est simple à réaliser, cependant l’interprétation n’est pas simple puisque, si la règle est chargée par frottement, les bouts de papiers ne le sont a priori pas ! Autre expérience du même style : un filet d’eau est dévié si on approche un film de cellophane.
Plus simplement, tout le monde a reçu une décharge en attrapant un chariot par temps très sec ou en descendant ou montant dans une voiture. Ce sont des phénomènes où il s’est produit une accumulation de charges, d’électricité, d’électricité statique.
À partir de là, on peut considérer deux catégories de corps : les isolants, ou diélectriques, où l’état d’électrisation se conserve localement et les conducteurs où cet état se répartit sur la surface du conducteur. L’électrisation des corps a pu être observée grâce aux propriétés isolantes de l’air sec, qui empêche l’écoulement vers la terre des charges créées par frottement.
La distinction entre isolants et conducteurs n’a rien d’absolu : la résistivité n’est jamais infinie (mais très grande), les charges électriques libres, pratiquement absentes dans les bons isolants, peuvent y être créées facilement en fournissant à un électron normalement lié à un édifice atomique une quantité d’énergie suffisante pour l’en dégager (par irradiation ou échauffement, par exemple). À une température de 3 000 °C, il n’y a plus d’isolants, mais seulement des conducteurs.
On constate aussi expérimentalement qu’il existe deux sortes de charges que l’on distingue par leurs signes, et que la matière est constituée de particules de charges variées, toutes multiples de celle de l’électron, appelée « charge élémentaire » ; cependant en électrostatique on se contentera de dire que lorsque un objet est chargé en volume, il contient une densité volumique de charge
De même une petite expérience permet de démontrer l’importance de l’électricité statique : il suffit de charger un peigne en plastique (en se peignant avec des cheveux sec) puis d’approcher le peigne chargé d’une lampe à tube à néon : dans l’obscurité, en approchant le peigne du tube, celui s’allume localement ! le champ électrique produit par le peigne est suffisant pour exciter le gaz à l’intérieur du tube. D’où l’importance de l’électricité statique : si le champ électrique d’un simple peigne est suffisant pour exciter un gaz, la décharge d’électricité statique dans un appareil électronique sensible peut aussi le détruire.
