Voir la source de Charge électrique

{{sources|date=novembre 2014}}
{{Infobox Grandeur physique
 | nom            = Charge électrique
 | image          = VFPt charges plus minus thumb.svg
 | légende        = [[Champ électrique]] créé par deux charges de signes respectifs opposés.
 | unités         = [[coulomb]] (C)
 | autres unités  = [[ampère-heure]] (Ah)
 | symbole        = ''Q'', ''q''
 | unités de base = {{nobr|A s}}
 | dimension      = {{dimension|kg=|m=|s=1|A=1|K=|mol=|cd=}}
 | extensive      = oui
 | conservative   = oui
 | nature         = scalaire
 | conjuguée      = tension
 | expressions    = ''dq/dt''=''I'' ; ''q''=''n*e''
}}

La '''charge électrique''' est une propriété fondamentale de la [[matière]] qui lui permet d'interagir par le biais de [[champ électromagnétique|champs électromagnétiques]]. Il s'agit d'une [[Scalaire (physique)|grandeur scalaire]], qui joue pour l'[[interaction électromagnétique]] le même rôle que la masse<ref group="N">En toute rigueur, que la masse ''grave'', par opposition à la masse dite ''inerte'', qui intervient dans la [[relation fondamentale de la dynamique]]. Toutefois il y a identité de ces deux types de masse théoriquement différente par leur nature, cette identité étant un des fondements de la théorie de la [[relativité générale]].</ref> pour l'[[interaction gravitationnelle]]. Toutefois, contrairement à cette dernière, il existe deux types de charges électriques que l'on distingue par leurs signes positif ou négatif. Des charges de même signe se repoussent, tandis que celles de signes opposés s'attirent. Dans la matière ordinaire, il y a équilibre entre les charges positives et négatives, on parle de ''neutralité électrique''.

L'unité usuelle de mesure de la charge est le [[Coulomb|coulomb (C)]]. Toutefois, dans certains contextes, d'autres unités comme l'[[ampère-heure]] ({{nobr|A h}}) sont parfois utilisées.

La charge électrique se conserve toujours et constitue une propriété essentielle des [[particule élémentaire|particules élémentaires]] soumises à l'interaction électromagnétique. La matière électriquement chargée est influencée par, et produit, les champs électromagnétiques. Depuis l'[[Expérience de la goutte d'huile de Millikan|expérience de Millikan]] en 1909, il a été mis en évidence que la charge électrique est '''''quantifiée''''' : toute charge ''Q'' quelconque est un multiple entier de la [[charge élémentaire]], notée ''e''<ref group="N">Les [[quark]]s ont certes une charge qui est une fraction de la charge élémentaire, soit 2''e''/3 ou ''e''/3, mais ceux-ci n'ont jamais été observés à l'état libre et se combinent toujours par paires (quark - antiquark, [[méson]]s) ou par triplets ([[baryon]]s, par exemple le [[proton]] ou le [[neutron]]) : il s'agit du phénomène d'hadronisation des quarks. Ceci donne toujours des particules neutres ou de charges égales à des multiples entiers de la charge élémentaire, au signe près.</ref>, qui correspond à la [[valeur absolue]] de la charge de l'[[électron]], avec ''e'' ≈ {{nb|1,602 e-19 C}}. Toutefois, en raison de la petitesse de cette valeur, il est souvent possible de considérer la charge comme une quantité continue lorsque des quantités macroscopiques de charges sont considérées<ref group="N">Par exemple la densité d'[[Électron libre|électrons libres]] dans un métal comme le cuivre est de l'ordre de {{nb|e29 m-3}}. Par suite, un cube de {{nb|1 μm3}} de ce métal, pourtant de taille très réduite à l'échelle macroscopique usuelle, contient encore près de {{nb|e11 électrons}} libres, soit un nombre rendant illusoire même dans ce cas de distinguer le caractère quantifié de la charge.</ref>. En électronique, le caractère discret de la charge électrique se manifeste cependant par un type de [[bruit électronique|bruit]] particulier appelé « [[bruit de grenaille]] ».

== Présentation et aspects historiques ==
=== Généralités ===
La charge électrique est une notion abstraite, comparable à celle de [[masse]], qui permet d'expliquer certains comportements. Contrairement à la masse, la charge électrique peut prendre deux formes, que l'expérience amène à considérer comme « opposées » ; on les qualifie arbitrairement de « positive » et « négative ».

Deux charges de même nature, deux charges positives par exemple, se repoussent, alors que deux charges de nature opposée s'attirent. On appelle ce phénomène interaction électromagnétique.

L'interaction entre les charges et un [[Électromagnétisme|champ électromagnétique]] est la source d'une des quatre [[Interaction élémentaire|forces fondamentales]]. Ces champs électromagnétiques, en [[mécanique classique]], obéissent aux [[équations de Maxwell]].

La charge électrique peut être directement mesurée avec un [[électromètre]]. Son [[unité de mesure|unité]] est le [[coulomb (unité)|coulomb]]. Les particules observées possèdent des charges qui sont des multiples entiers de la [[charge élémentaire]] qui est une [[constante physique]] fondamentale (excepté pour les particules appelées [[quark]] qui ont une charge électrique correspondant à un entier multiplié par e/3). Les quarks ont des charges fractionnaires de -1/3 ou +2/3, mais des quarks libres n'ont jamais été observés. La raison théorique avancée pour expliquer cette observation est la [[liberté asymptotique]]. La nature discrète de la charge électrique a été démontrée par [[Robert Andrews Millikan|Robert Millikan]] dans l'[[Expérience de Millikan|expérience qui porte son nom]].

=== Histoire ===
La charge électrique est découverte par les [[Grèce antique|anciens Grecs]] qui constatent que le frottement de la fourrure sur diverses substances, telles que l'[[ambre]], produit un déséquilibre de charge électrique (phénomène [[triboélectrique]]). Les Grecs notent que des boutons en ambre chargés pouvaient attirer des objets légers tels que des cheveux. Ils remarquent également que s'ils frottent l'ambre assez longtemps, ils peuvent même obtenir une étincelle. Le mot « électricité » vient du [[grec ancien]] {{grec ancien|ἤλεκτρον|ḗlektron}}, « ambre ».

Au {{s-|XVIII}}, l'étude de l'électricité devient populaire. On réalise des expériences d'électrostatique au cours desquelles, à l'aide de dispositifs jouant le rôle de [[Condensateur (électricité)|condensateurs]] tels que la [[bouteille de Leyde]], on atteint des tensions suffisamment élevées pour provoquer des commotions. Par une série d'expériences (1733), l'[[Charles François de Cisternay du Fay|intendant du Fay]] distingue deux sortes d'électricité : l'électricité vitreuse (+) et l'électricité résineuse (-) correspondant aux deux types de comportement de la matière lors d'une électrisation par frottement.

À la même époque, [[Benjamin Franklin]] imagine l'électricité comme étant un type de fluide invisible présent dans toute la matière. Il pose comme principe que le frottement de surfaces isolantes met ce fluide en mouvement et qu'un écoulement de ce fluide constitue un [[courant électrique]]. Il pose également comme principe que la matière contenant trop peu de ce fluide est chargée négativement, chargée positivement sinon. Arbitrairement, en tout cas pour une raison qui nous est inconnue, il identifie le terme « positif » avec le type de charge acquis par une tige de [[verre]] frottée sur de la [[soie]], et « négatif » avec celui acquis par une tige en ambre frottée avec de la [[fourrure]]. Peut-être dû au [[potentiel électrique]] de la matière.

=== Convention et réalités ===
Nous savons maintenant que le modèle de Franklin était trop simple. La matière se compose réellement de deux genres d'électricité : les [[Particule élémentaire|particules]] appelées « [[proton]]s » qui portent une charge électrique positive et les particules appelées « [[électron]]s » qui portent une charge électrique négative.

Le [[courant électrique]] peut avoir différentes causes : un écoulement de particules négatives, par exemple dans un conducteur métallique, ou un écoulement de particules positives, ou encore un écoulement de particules négatives et positives dans des sens opposés, par exemple dans une solution ionique.

Pour réduire cette complexité, les [[électricien]]s emploient toujours la convention de Franklin et imaginent le courant électrique, connu sous le nom de « courant conventionnel », comme constitué d'un écoulement de particules exclusivement positives.

Le courant conventionnel simplifie les concepts et les calculs, mais masque le fait que dans quelques [[Conducteur (physique)|conducteurs]] ([[électrolyte]]s, [[semi-conducteur]]s, et [[Physique des plasmas|plasma]]) les deux types de charges électriques se déplacent dans des directions opposées, ou que dans les métaux, les charges négatives sont presque exclusivement responsables de la circulation du courant.
== Propriétés ==
=== Invariance ===
Hormis les propriétés décrites concernant l'électromagnétisme, la charge est un invariant de la [[théorie de la relativité]] : une particule de charge ''q'', quelle que soit sa [[vitesse]], garde sa charge ''q''.

=== Unités ===
Dans le [[système international d'unités]], la charge électrique a pour unités le [[coulomb]]<ref>{{Harvsp|BIPM|2006|p=28|id = BIPM2006}}.</ref>, de symbole C, qui constitue une [[unités dérivées du Système international|unité dérivée]], dont le nom vient de celui du physicien français [[Charles-Augustin Coulomb]]. Par définition, c'est la quantité de charge transportée en une seconde par un courant électrique ayant une intensité d'un [[Ampère (unité)|ampère]]<ref>{{Harvsp|BIPM|2006|p=54|id = BIPM2006}}.</ref>. Par suite {{nb|1 C}} = {{nb|1 A s}}, et la charge électrique ''Q'' a pour dimensions [Q]=I.T.

Dans le contexte industriel ou en ingénierie, l'[[ampère-heure]] ({{nobr|A h}}, aussi écrit ampèreheure) ou ses sous-multiples sont couramment employés à la place du coulomb, par exemple pour indiquer la capacité d'une batterie, avec {{nb|1 A h}} = {{nb|3600 C}}. L'intérêt de cette unité est de pouvoir rapidement évaluer la durée de fonctionnement d'une batterie débitant un courant d'intensité donnée, ainsi par exemple une batterie d'une capacité de {{nb|30 A h}} délivrant un courant d'intensité {{nb|1 A}} pourra théoriquement fonctionner trente heures, quinze heures si le courant est de {{nb|2 A}}{{etc.}}

=== Loi de Coulomb ===
Mise en évidence en 1785 par le physicien français [[Charles-Augustin Coulomb]], la loi de Coulomb permet d'exprimer la force <math>\vec{f}_{12}</math> exercée par une charge électrique de valeur <math>q_1</math> sur une autre charge électrique de valeur <math>q_2</math>, toutes deux supposées ponctuelles<ref group="N">C'est-à-dire, en première approche, dont les dimensions spatiales sont faibles devant la distance qui les sépare.</ref>, et fixes dans le référentiel d'étude.

La loi de Coulomb s'écrit :
:<math>\vec{f}_{12}=K\frac{q_1 q_2}{r_{12}^2}\frac{\vec{r}_{12}}{r_{12}}</math>,
avec :
* ''K'' constante de proportionnalité, qui dans le système international d'unités se met sous la forme <math>K=\frac{1}{4\pi \epsilon_0}\simeq</math>{{unité|9|e=9|[[Farad|F]]|-1|[[mètre|m]]}}, avec <math>\epsilon_0\simeq</math> {{unité|8,854|e=-12|[[Farad|F]]||[[mètre|m]]|-1}} qui est la [[permittivité du vide|permittivité diélectrique du vide]] ;
* <math>\vec{r}_{12}</math> est le vecteur reliant les points où sont placés les charges <math>q_1</math> et <math>q_2</math>, respectivement, de norme <math>r_{12}</math>.

Clairement, si les charges sont de même signe, alors la force est ''répulsive'', alors que dans le cas contraire elle est attractive.

La loi de Coulomb a une forme similaire à la [[Loi universelle de la gravitation|loi de Newton]] pour la [[gravitation universelle]], qui permet d'exprimer la force <math>\vec{F}_{12}</math> exercée par une masse <math>m_1</math> sur une autre masse <math>m_2</math><ref group="N">En toute rigueur, il s'agit de la masse ''gravitationnelle'', qui conceptuellement est distincte de la masse ''inerte''.</ref>, supposées ponctuelles, et qui s'écrit avec les mêmes conventions que précédemment :
:<math>\vec{F}_{12}=-G\frac{m_1 m_2}{r_{12}^2}\frac{\vec{r}_{12}}{r_{12}}</math>,
avec ''G'' [[Constante gravitationnelle|constante de gravitation]] universelle, ''G'' = {{unité|6,67408|e=-11|[[mètre|m]]|3|[[kilogramme|kg]]|-1|[[Seconde (temps)|s]]|-2}}.

Par comparaison des deux expressions, il est clair que les deux forces varient en raison inverse du carré de la distance, sont toutes deux de portée infinie, et que la charge électrique joue pour en électrostatique le même rôle que la masse (gravitationnelle) pour la gravitation universelle.

Toutefois, deux différences majeures sont à signaler :
* la force de gravitation universelle est toujours attractive, ce qui se traduit par la présence du signe « - » dans l'expression de la loi de Newton ;
* la faiblesse de la force de gravitation fait que la différence d'intensité entre les deux forces est souvent considérable<ref group="N">Pour fixer les idées, il est possible de comparer les forces entre deux charges ponctuelles de même valeur {{nb|1 C}}, et de même masse {{nb|1 kg}}, placées à une distance d'un mètre. La force électrostatique a donc une valeur de l'ordre de {{nb|9 e9 N}}, alors que pour la force gravitationnelle vaut environ {{nb|6,7 e-11 N}}, soit une différence de vingt ordres de grandeur. Même en prenant des valeurs de charges et de masse plus réalistes, cet exemple montre clairement la différence d'intensité majeure entre les deux forces.</ref>.

== Notes et références ==
=== Notes ===
{{Références|group=N|taille=30}}

=== Références ===
{{Références}}

== Bibliographie ==
* {{Ouvrage|langue=fr|nom1=Collectif|titre=Le système international d'unités|lieu=Sèvres|éditeur=BIPM|année=2006|mois=juillet|numéro d'édition=8|pages totales=92|format livre=broché|isbn=92-822-2213-6|id=BIPM2006}}

== Voir aussi ==
=== Articles connexes ===
* [[Conservation de la charge électrique]]
* [[Charge élémentaire]]

{{Palette|Électromagnétisme}}
{{Portail|physique|chimie|électricité et électronique}}

[[Catégorie:Électrostatique]]
[[Catégorie:Propriété chimique]]
[[Catégorie:Grandeur physique]]