L'électricité statique

Les charges électriques
Auteurs : Equipe La main à la pâte(plus d'infos)
Résumé :
Ce document est tiré de l'ouvrage "Le Trésor, dictionnaire des sciences, Flammarion 1997
Publication : 1 Avril 1998

La charge électrique

Dans le langage courant, le mot charge est synonyme de poids, de fardeau, d'obligation ou encore de fonction. La physique le prend dans un sens légèrement différent, par exemple lorsqu'elle parle de charge électrique. La charge électrique est l'attribut de certaines particules ; d'autres, dites électriquement neutres ou de charge électrique nulle, ne portent pas de charge électrique. L'expression charge électrique proprement dite fut inventée par Benjamin Franklin au milieu du XIXème siècle après qu'il eut remarqué qu'il existait deux sortes d'électricité : positive et négative.

Placées dans un champ électrique, les particules dotées d'une charge électrique sont soumises à une force proportionnelle à cette charge. La charge électrique nous est familière à cause de ses nombreuses implications dans la vie quotidienne, notamment l'électricité. Cette célébrité n'est pas usurpée, car la charge électrique est un concept essentiel de la physique : lors d'une interaction entre particules, les particules finales sont souvent différentes des particules initiales (et pas nécessairement en même nombre), mais la somme des charges électriques des particules sortantes est exactement égale à la somme des charges électriques des particules entrantes. On dit que la charge électrique est conservée, ce qui lui vaut tous les honneurs. Cette règle fournit un indicateur précieux pour déterminer si telle ou telle réaction entre particules est a priori possible ou non. Par exemple, un électron, de charge électrique négative, ne peut pas se désintégrer en deux neutrinos, de charge électrique nulle, car une telle désintégration ne respecterait pas la conservation de la charge électrique.

La généralisation du concept de charge

Les particules possèdent d'autres charges, qui se traduisent de façon plus subtile. Ces charges sont des généralisations du concept de charge électrique. Elles sont des sortes d'étiquettes, qui déterminent la façon dont les particules peuvent se comporter, par exemple lors de leur désintégration.
Certaines désintégrations se produisent, tandis que d'autres ne sont jamais observées, alors même que les lois de la physique (conservation de l'énergie, de la quantité de mouvement, de la charge électrique) ne les excluent pas d'emblée. Les physiciens des particules ont de bonnes raisons de considérer que tout ce qui n'est pas interdit (par les règles habituelles) est obligatoire. Cela implique que, si une désintégration a priori possible pour une particule ne se produit pas, c'est que quelque chose l'en empêche. Il est tentant de postuler que ce "quelque chose" vient de ce qu'une nouvelle règle, mettant en jeu une nouvelle charge, interdirait à la désintégration d'avoir lieu. Reste à vérifier qu'une telle hypothèse permet de rendre compte de toutes les observations expérimentales. Si aucune contradiction n'apparaît, c'est que cette nouvelle charge est sans doute un concept pertinent.
Tout se passe en définitive comme si chaque particule se voyait attribuer un portefeuille contenant des sommes en devises différentes. Lors de leurs interactions mutuelles, les particules font des échanges ; de nouvelles particules sont créées, chacune avec son propre portefeuille. Lorsqu'on fait le bilan, on constate que les sommes dans chaque devise des particules sortantes sont exactement les mêmes que les sommes des particules entrantes.
L'analyse minutieuse de ce qui est permis ou interdit lors des interactions entre particules a conduit les physiciens à attribuer aux particules un ensemble de charges qui se ramènent en fait à des nombres, positifs ou négatifs, affublés de qualificatifs souvent bizarres : nombre leptonique, nombre baryonique, étrangeté, couleur... Ces nombres s'additionnent algébriquement. Ils sont soit conservés par chacune des quatre interactions fondamentales de la physique (c'est le cas de la charge électrique), soit seulement par certaines d'entre elles. Par exemple, la charge appelée étrangeté est conservée par l'interaction nucléaire forte, qui assure la cohésion des noyaux atomiques, mais pas par l'interaction nucléaire faible, responsable notamment de la radioactivité ß par laquelle un neutron se désintègre en un proton, un électron et une troisième particule appelée antineutrino. Il arrive donc que le concept de charge n'ait de sens que vis-à-vis d'une interaction donnée.
L'origine profonde des charges que portent les particules n'est pas clairement élucidée. Leur conservation au cours de certaines interactions se déduit de symétries fort abstraites (non strictement géométriques), sur lesquelles s'appuient les théories. C'est donc sur l'origine de ces symétries que le mystère est reporté.

"Le Trésor, dictionnaire des sciences" © Flammarion 1997. Ce texte ne peut être ni reproduit, ni vendu sans lautorisation de léditeur.