Un peigne en plastique passé dans des cheveux secs peut attirer de minuscules morceaux de papier. Un ballon de baudruche frotté contre un pull peut adhérer à un mur. Deux bandes de ruban adhésif que l’on sépare peuvent s’attirer ou se repousser. Il ne s’agit pas de matériaux spéciaux réalisant des tours particuliers. Ce sont des objets ordinaires dont l’état électrique a changé, et ce changement se manifeste par une force s’exerçant sans contact.
Cet état électrique porte le nom de charge électrique. La charge n’est ni une couleur ni une texture. C’est une propriété de la matière qui détermine la manière dont elle participe aux interactions électriques. Deux observations fondamentales s’imposent avant toute équation : les objets peuvent s’attirer ou se repousser même sans se toucher, et il existe deux types de charges, communément appelées positive et négative. Les charges de même signe se repoussent, tandis que celles de signes opposés s’attirent.
La polarisation est un mécanisme courant en électrostatique au quotidien. Un objet neutre peut tout de même être attiré, car les charges qu’il contient peuvent se déplacer légèrement. Un côté devient plus négatif et l’autre plus positif ; ainsi, la force d’attraction exercée sur le côté le plus proche peut être plus intense que la force de répulsion ressentie par le côté le plus éloigné. Bien que l’objet reste globalement neutre, il peut subir une attraction.
Utilisez l’illustration suivante pour associer chaque situation de la vie courante aux concepts de charge positive et négative, ainsi qu’au phénomène de polarisation d’un objet neutre situé à proximité.
La répulsion est importante car elle exclut une explication fondée sur une simple adhérence. Si deux objets peuvent s’éloigner l’un de l’autre en se repoussant, c’est qu’un phénomène directionnel est à l’œuvre. La force peut s’exercer dans un sens ou dans le sens opposé, selon les types de charges en présence.
La charge électrique mesure l’intensité avec laquelle un objet participe aux phénomènes d’attraction et de répulsion électriques. Le symbole de la charge est . Une charge peut être positive ou négative. Ce signe n’indique ni une valeur positive ni une valeur négative au sens courant (bon ou mauvais) ; il sert à désigner deux types complémentaires qui interagissent de manière opposée.
L’unité de charge dans le système international (SI) est le coulomb, de symbole . À conditions égales, une charge de plus grande intensité — c’est-à-dire une valeur plus élevée de — produit des effets électriques plus marqués. Un objet neutre possède une charge totale car ses charges positives et négatives s’équilibrent.
La charge se conserve également. Le principe de conservation de la charge signifie que la charge totale d’un système isolé reste inchangée. La charge peut passer d’un objet à un autre, mais elle ne peut être ni créée ni détruite dans les situations électrostatiques ordinaires. Lorsque vous frottez un ballon contre vos cheveux, le ballon ne crée pas de charge ; il y a transfert de charges. Un objet acquiert une charge négative tandis que l’autre conserve une quantité égale de charge positive ; le total reste donc inchangé.
Une façon simple d’exprimer cela sans recourir aux mathématiques est de dire que le bilan des charges est toujours équilibré. Si l’on additionne les charges de tous les objets impliqués avant et après une interaction, la somme reste identique, à condition qu’aucune matière chargée n’entre dans le système ou n’en sorte.
Une force est une interaction capable de modifier le mouvement d’un objet : elle peut l’accélérer, le ralentir ou changer sa direction. Le symbole de la force est . Son unité SI est le newton, de symbole . Nous percevons les forces comme des poussées ou des tractions, mais en physique, une force possède toujours une direction et un sens, en plus d’une intensité.
En électrostatique, la force s’exerçant entre des objets chargés peut être attractive ou répulsive. Cela signifie que la direction et le sens importent, même sur une ligne droite. Prenons une droite et choisissons-y un sens positif. Une force s’exerçant dans ce sens choisi est considérée comme positive, tandis qu’une force s’exerçant dans le sens opposé est négative. Le signe n’indique pas une intensité plus faible ou plus forte ; il précise l’orientation par rapport au choix effectué.
L’activité interactive suivante vous permet de vous exercer à concevoir la force comme une grandeur orientée, en utilisant une convention de signe simple sur une droite.