Répartition de charge

Signification de la distribution des charges

Nous savons que la mobilité des porteurs de charge à l'intérieur des conducteurs est plus élevée que dans les isolants. Lorsqu'une charge excédentaire est fournie au conducteur, la force électrostatique de répulsion entre eux fait qu'ils commencent à s'éloigner les uns des autres autant que possible. De plus, ils occupent le plus d'espace possible sur la surface du conducteur afin de minimiser cette force de répulsion.

D'après la figure 2, nous pouvons voir qu'il y a une distribution uniforme de la charge à la surface du conducteur. Cette distribution est connue sous le nom de distribution de charge de surface.

Exemples et types de répartition des charges

On étudie trois grands types de distribution de charges, qui diffèrent par leur géométrie :

1. Répartition linéaire des charges

2. Répartition des charges de surface

3. Répartition des charges en volume

Chaque type de distribution de charges présente une densité de charges différente en fonction du nombre de dimensions spatiales de la situation. Une brève description et une explication de chaque type sont données ci-dessous.

Répartition linéaire des charges

Lorsqu'une charge est uniformément répartie sur une longueur unidimensionnelle de matériau, ce type d'arrangement de charge est connu sous le nom de répartition linéaire de charge. Dans ce cas, la densité de charge est appelée densité de charge linéaire (gauche (droite)). Les fils conducteurs d'électricité sont souvent modélisés comme des distributions de charges linéaires en raison de leur nature approximativement unidimensionnelle.

L'unité SI de charge est le coulomb \(\left(\text{C}\right)\), et l'unité SI de longueur est le mètre \(\left(\text{m}\right)\). En utilisant ces unités, l'unité SI de densité de charge linéaire est le coulomb par mètre \(\mathrm{C\,m^{-1}}\).

Distribution des charges de surface

Lorsque la charge est uniformément répartie sur la surface du conducteur, ce type de répartition est connu sous le nom de répartition de la charge de surface. La densité de charge, dans ce cas, est connue sous le nom de densité de charge de surface \(\Ngauche(\Nsigma\Ndroite)\N).

Soit la surface d'un conducteur \N(S\N) et la charge nette sur le conducteur, répartie sur la surface du conducteur, \N(Q\N).

Fig. 4 - La figure montre la distribution de la charge de surface des charges positives sur le conducteur sphérique.

La densité de charge superficielle pour ce cas est \(\sigma=\frac{Q}{S}\).

L'unité SI de la surface est le mètre au carré \(\left(\mathrm{m^{2}}\right)\), et l'unité SI de la charge est le Coulomb \(\left(\text{C}\right)\). En utilisant ces unités, l'unité SI de la densité de charge de surface est \(\mathrm{C\,m^{-2}}\).

Distribution des charges dans le volume

Lorsque la charge est uniformément répartie dans le matériau en question, ce type de répartition est connu sous le nom de répartition de la charge volumique. La densité de charge, dans ce cas, est appelée densité de charge volumique \(\left(\mathrm{\rho}\right)\), ou densité de charge.

L'unité SI de volume est le mètre cube \(\left(\mathrm{m^{3}}\rright)\) et l'unité SI de charge est le Coulomb \(\left(\text{C}\rright)\). En utilisant ces unités, l'unité SI de la densité de charge volumique est \(\mathrm{C\,m^{-3}}\).

Répartition des charges dans les conducteurs et les isolants

Dans les isolants, les électrons sont fermement liés au noyau. Il faut donc beaucoup d'énergie pour libérer les électrons et augmenter leur mobilité à l'intérieur des isolants. En revanche, les électrons à l'intérieur des conducteurs sont libres de se déplacer car ils ne sont que faiblement liés au noyau. La mobilité des porteurs de charge est donc plus importante dans lesconducteurs que dans les isolants.

Réfléchis maintenant à ce qui se passera si nous fournissons une charge à un conducteur et à un isolant.

Dans le cas des conducteurs

Les porteurs de charge d'un conducteur peuvent se déplacer rapidement en raison de leur grande mobilité. Non liées par un noyau et soumises aux forces électrostatiques de répulsion entre chaque électron, les charges s'écartent le plus possible les unes des autres, se répartissant sur la surface du conducteur.

Dans le cas des isolants

Les porteurs de charge dans les isolants ne peuvent pas se déplacer rapidement en raison de la forte force d'attraction électrostatique entre les noyaux des atomes et leurs électrons. En d'autres termes, la mobilité des porteurs de charge (électrons) est faible dans les isolants. Par conséquent, même sous l'action de la force de répulsion électrostatique, ils continuent à rester liés aux noyaux des atomes, et il n'y a pas de redistribution de la charge qui a lieu dans le cas des isolants.

Répartition des charges selon les différentes méthodes de chargement

Il existe trois principales méthodes de charge que tu dois connaître :

1. La charge par friction

2. Charge par induction

3. Charge par conduction

Chargement par friction

Les isolateurs peuvent se charger par la méthode du frottement. Par exemple, lorsque deux isolants se frottent l'un contre l'autre, les électrons sont transférés d'un isolant à l'autre, ce qui entraîne une redistribution de la charge entre les isolants. Par conséquent, un isolateur devient chargé positivement et l'autre négativement.

Fig. 6. Chargement d'un isolateur à l'aide d'une méthode de chargement par friction.

La charge de chaque isolateur ne se redistribue pas à travers le matériau isolant comme dans un conducteur. Ainsi, même s'il y a une répulsion électrostatique entre les charges, la mobilité des porteurs de charge reste faible, ce qui signifie que les électrons ne sont pas libres de se déplacer.

Chargement par induction

Lorsqu'une tige métallique chargée positivement est approchée d'une sphère métallique non chargée, une charge égale et opposée est induite sur le côté de la sphère métallique initialement non chargée qui fait face à la tige, en raison de la force d'attraction électrostatique entre la charge positive nette de la tige et les électrons de la sphère métallique. De même, en raison de la répulsion électrostatique, une charge positive nette se forme sur le côté opposé de la sphère initialement non chargée. Ainsi, la présence d'une charge peut transformer un conducteur non chargé en un conducteur polarisé.

En mettant à la terre l'autre face de la sphère métallique, lacharge positiveest transférée à la terre.

Fig. 7 - Le chargement de la conduction avec une tige chargée à l'aide d'une méthode de chargement par induction.

En déconnectant la sphère de la terre, il reste une charge négative sur celle-ci, qui se redistribue de telle sorte que la charge se répand autour de la surface du conducteur.

Fig. 8 - La figure montre la répartition des charges dans le conducteur après une charge par méthode d'induction.

La redistribution des charges a lieu dans le conducteur en raison de la force électrostatique de répulsion. Cependant, cette redistribution n'est possible que lorsque la tige chargée est retirée, car la force d'attraction électrostatique entre la charge positive de la tige et la charge négative des électrons de la sphère maintient les électrons attirés d'un côté de la sphère. Par conséquent, la sphère reste polarisée jusqu'à ce que la tige soit retirée.

L'explication ci-dessus nous permet donc de dire que la distribution des charges est affectée par la force électrostatique (ou le champ électrique).

Chargement par conduction

Lorsqu'une sphère métallique chargée est mise en contact avec une sphère métallique identique mais non chargée, la charge est transférée d'une sphère à l'autre. Après le transfert de charge, la charge nette sur chaque conducteur est la même.

Pour que la charge se redistribue autour de la surface, ilfaut déplacer les sphères, car une force électrostatique de répulsion agit entre les charges de l'une ou l'autre sph ère en raison de la charge nette identique sur chaque sphère.

Fig. 9 - La figure montre la redistribution de la charge dans le conducteur après une charge par la méthode de conduction.

Le diagramme ci-dessus montre que la présence d'une charge électrique affecte la répartition des charges. Nous pouvons également dire que le champ électrique/la force électrostatique affecte la répartition des charges.