À première vue, les dipôles électriques semblent faire partie des phénomènes électrostatiques que nous ne rencontrons pas souvent dans notre vie quotidienne ; cependant, les dipôles électriques sont en fait plus fréquents que tu ne le pensais. L'analyse de la perturbation de l'équilibre des charges positives et négatives dans un dipôle électrique et la détermination de leur polarité nous permettent de mieux comprendre des concepts tels que les forces de contact, les diélectriques et le comportement des molécules.
Les dipôles électriques sont particulièrement importants lorsqu'il s'agit de systèmes microscopiques tels que les dipôles que l'on trouve dans les molécules, qui sont bien trop proches les unes des autres pour que l'on puisse en percevoir les effets à l'échelle macroscopique, mais dont les charges sont pourtant très distinctes.
Avant de comprendre ce qu'est un dipôle électrique et le moment dipolaire électrique qui lui est étroitement lié, il convient d'établir quelques concepts utiles tels que les forces de Coulomb et les diélectriques.
Qu'est-ce qu'un conducteur ?
Un conducteur est une substance qui facilite la libre circulation des particules chargées.
Les substances contenant un nombre relativement important de porteurs de charges libres sont appelées conducteurs. Les métaux, par exemple, sont considérés comme de bons conducteurs électriques. Dans les métaux, les électrons peuvent se déplacer librement, car ils ne sont pas liés au réseau cristallin du métal et sont donc des porteurs de charge libres. Imaginons une tige métallique placée dans un champ électrique égal à zéro. Dans ce cas, les électrons sont uniformément répartis sur la surface du barreau métallique. Si nous plaçons la même tige dans un champ électrique différent de zéro, tous les porteurs de charge libres se déplaceront vers une extrémité de l'objet en raison de la force électrique subie par les porteurs de charge sous l'effet de la force de Coulomb.
La force de Coulomb est la force qui agit entre deux charges ponctuelles qui s'attirent ou se repoussent dans le vide, et peut être exprimée comme suit : \[F=k \frac{\vert{q_1} \vert \vert{q_2}\vert}{r^2}\] La constante de proportionnalité est connue sous le nom de constante de Coulomb : \[k=\frac{1}{4 \pi \epsilon_0}=9 \times 10^9 SI\]
Qu'est-ce qu'un diélectrique ?
Plus généralement, un matériau qui ne facilite pas le flux de porteurs de charges libres est appelé isolant électrique.
Les substances qui n'ont pratiquement pas de porteurs de charges libres, mais qui peuvent être ou devenir polarisées diélectriquement, sont appelées diélectriques.
L'air, le plastique et l'alcool sont des exemples familiers de la vie quotidienne.
Il existe deux catégories de diélectriques :
- Les diélectriques polaires ;
- Les diélectriques non polaires.
Si l'on place un diélectrique non polaire dans un champ électrique égal à zéro, les centres des charges positives et négatives coïncident. Si le même diélectrique est placé dans un champ électrique non nul, les centres ne coïncident plus et un dipôle se forme.
Dans un diélectrique polaire, chaque molécule forme son propre dipôle orienté de manière aléatoire en raison du mouvement thermique, sans qu'un champ électrique externe ne soit nécessaire. Si un champ électrique externe est appliqué, les dipôles s'alignent dans la direction du champ. Ce processus est connu sous le nom de polarisation d'un diélectrique.
Définition d'un dipôle électrique
Un dipôle électrique est un système composé de deux particules de taille égale et de charges opposées, séparées par une petite distance.
Schéma d'un dipôle électrique
Un schéma illustrant un dipôle électrique est présenté ci-dessous.
Fig.1- Deux particules de magnitude égale et de charge opposée séparées par une petite distance créent un dipôle électrique.
Les charges étant d'égale importance, les signes opposés s'annulent, ce qui fait que la charge globale du système est nulle. Le point médian entre les deux charges est appelé centre du dipôle.
Champ dipolaire électrique
Voyons ce qui arriverait à un dipôle électrique placé dans un champ électrique. Comme le montre la figure ci-dessous, les lignes de champ électrique s'étendent de la charge positive à la charge négative. Elles sont dirigées radialement vers l'extérieur de la charge positive et radialement vers l'intérieur de la charge négative. Par conséquent, elles sont également perpendiculaires à la surface des charges ponctuelles et constituent donc les lignes équipotentielles.
Les lignes équipotentielles représentent des sections de potentiel électrique constant et sont toujours perpendiculaires aux lignes de champ électrique. Si une charge était déplacée le long de l'une ou l'autre de ces lignes, aucun travail ne serait effectué.
Si un dipôle est créé par un diélectrique, il aura son propre champ électrique, agissant dans la direction opposée au champ électrique externe. Cette interaction entraîne une réduction globale du champ électrique. L'ampleur de cette réduction varie en fonction du diélectrique utilisé. Un paramètre utilisé pour distinguer le niveau de changement est connu sous le nom de perméabilité diélectrique. Il décrit essentiellement le facteur par lequel le diélectrique affaiblit le champ électrique externe.
Les molécules diélectriques possèdent déjà des dipôles électriques ou en développent en présence d'un champ électrique externe. Par exemple, dans une molécule d'eau électriquement neutre \( H_2O \) , la disposition des trois atomes est telle que le centre des charges positives des noyaux atomiques n'est pas le même que le centre de la charge négative de tous les électrons de la molécule d'eau. La charge électrique totale de la molécule est égale à zéro, mais elle forme, en quelque sorte, un haltère dont les extrémités sont chargées de signes opposés. Un tel système de deux charges, égales en magnitude, mais opposées en signe, est appelé dipôle électrique.
Moment dipolaire électrique
Chaque dipôle électrique est accompagné d'un moment dipolaire. La longueur d'un dipôle est la distance entre ses charges positives et négatives. Le moment dipolaire électrique est représenté par un vecteur allant de la charge négative du dipôle à la charge positive.
En chimie, le vecteur représentant un moment dipolaire a une direction opposée : il est dirigé de la charge positive vers la charge négative.
Le moment dipolaire électrique permet de décrire l'effet d'un dipôle à une certaine distance, en indiquant l'intensité du champ électrique qui sera produit.
Dipôle électrique : Symbole
L'équation utilisée pour calculer le moment dipolaire électrique est la suivante : \[ \vec{p} = q \vec{d}\]
Où
- \( p \) est le moment dipolaire électrique en Coulomb-mètres ;
- \( q \) est l'une ou l'autre des charges (positive ou négative) en Coulombs ;
- \( d \) est le vecteur de déplacement pointant de la charge négative vers la charge positive en mètres.
Nous pouvons utiliser l'une ou l'autre des charges car le moment dipolaire électrique représente la polarité globale du système. En d'autres termes, il ne dépend que de la magnitude de la charge ponctuelle et non de son signe.
Dipôle électrique : Exemple
Appliquons l'équation mentionnée ci-dessus à un problème d'exemple pour tester nos connaissances.
Deux charges ponctuelles \(+6 C\) et \(-6C\) sont séparées par une distance de \(10cm\) . Quel est le moment dipolaire électrique de ce système ?
Comme nous l'avons vu précédemment, les charges d'un dipôle électrique sont de même magnitude et de signe opposé, de sorte que dans ce cas, pour la valeur de \( q \) , nous utilisons \( 6 C \) . Il suffit maintenant d'introduire cette valeur et la distance en unités SI dans l'équation du moment dipolaire électrique comme suit :
\[p=qd = 6 \times 0,1 = 0,6 C.m\]
La magnitude de ce moment dipolaire est \( 0,6 C.m \) , et la direction va de la charge négative \( -6 C \) à la charge positive \( 6 C \) .
Attention, la quantité de mouvement linéaire et le moment dipolaire électrique ont le même symbole, mais représentent des concepts totalement différents !
Potentiel dipolaire électrique
Avant de comprendre ce qu'est le potentiel dipolaire électrique, il convient de rappeler ce qu'est le potentiel électrique en général. L'équation utilisée pour calculer le potentiel électrique d'un système constitué d'une charge ponctuelle à une certaine distance est la suivante.\[V=k\frac{q}{r}\] où \( k \) est la même constante de Coulomb que celle évoquée précédemment.
Dipôle Électrique - Points clés
- Lorsqu'un diélectrique non polaire est placé dans un champ électrique non nul, un dipôle électrique se forme.
- Un dipôle électrique est un système composé de deux particules de taille égale et de charges opposées, séparées par une petite distance.
- Si un dipôle électrique est placé dans un champ électrique, les lignes courbes du champ électrique s'étendent de la charge positive vers la charge négative. L'équation utilisée pour calculer le moment dipolaire électrique est la suivante : \(p= q.d\) .
- Le moment dipolaire électrique est une quantité vectorielle dirigée de la charge négative du dipôle vers la charge positive.
- Pour trouver le potentiel dipolaire électrique en un point donné, chaque charge individuelle doit être prise en compte et additionnée à l'aide de l'équation générale du potentiel électrique.
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