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Loi de Coulomb : force électrostatique entre deux charges

Calculez la force électrique entre deux charges ponctuelles, son caractère attractif ou répulsif, le champ électrique et l'énergie potentielle.

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Résultats

Intensité de la force

21,57 N

Charges de signes opposés : la force est attractive
Champ électrique de la charge 1 à cette distance
7 190 041 N/C
Énergie potentielle électrique
-1,079 J
Nombre de charges élémentaires dans la charge 1
12 483 018 148 922
Force exprimée en poids
2,2 kg

La force entre deux charges

Les charges électriques sont de deux sortes, positives et négatives. Deux charges de même signe se repoussent, deux charges de signes opposés s’attirent. En 1785, le physicien français Charles-Augustin Coulomb a mesuré cette force grâce à une balance de torsion et montré qu’elle suit, comme la gravitation, une loi en inverse du carré de la distance.

La loi de Coulomb

F = k × q₁ × q₂ ÷ r²

  • k = 1 ÷ (4πε₀) ≈ 8,9876 × 10⁹ N·m²/C², la constante de Coulomb
  • q₁, q₂ : les charges en coulombs, avec leur signe
  • r : la distance qui les sépare

Un résultat négatif traduit une attraction, un résultat positif une répulsion. Dans un matériau, la force est divisée par sa permittivité relative εᵣ.

Le calculateur donne aussi :

  • le champ électrique créé par la charge 1 à cette distance, E = k q₁ ÷ r² ;
  • l’énergie potentielle du système, U = k q₁ q₂ ÷ r ;
  • le nombre de charges élémentaires (1,602 × 10⁻¹⁹ C chacune) contenues dans la charge 1.

Exemple

Deux charges de +2 µC et −3 µC sont à 5 cm l’une de l’autre dans l’air.

  • F = 8,99 × 10⁹ × (2 × 10⁻⁶) × (3 × 10⁻⁶) ÷ 0,05² ≈ 21,6 N, attractive
  • C’est à peu près le poids d’une masse de 2,2 kg
  • Champ de la charge 1 à 5 cm : 7,19 × 10⁶ N/C
  • Énergie potentielle : −1,08 J
  • +2 µC correspondent à un défaut d’environ 1,25 × 10¹³ électrons

Ordres de grandeur

Situation Force
Électron et proton dans l’atome d’hydrogène (0,053 nm) 8,2 × 10⁻⁸ N
Deux charges de 1 nC à 1 cm 9 × 10⁻⁵ N
Deux charges de 1 C à 1 km environ 9 000 N

Le coulomb est une quantité énorme pour l’électricité statique : les charges du quotidien se comptent en nanocoulombs ou en microcoulombs.

Coulomb contre gravitation

Entre deux protons, la force électrique est environ 10³⁶ fois plus forte que l’attraction gravitationnelle. Si nous ne ressentons pas d’énormes forces électriques au quotidien, c’est que la matière contient presque exactement autant de charges positives que négatives.

Limites

La loi de Coulomb s’applique à des charges ponctuelles ou à symétrie sphérique, immobiles. Pour des objets étendus, il faut additionner les forces sur toutes leurs parties (ou utiliser le théorème de Gauss), et des charges en mouvement créent aussi des forces magnétiques.

Questions fréquentes

Que dit la loi de Coulomb ?

La force entre deux charges ponctuelles vaut F = k × q₁ × q₂ ÷ r², avec k ≈ 8,99 × 10⁹ N·m²/C². Deux charges de même signe se repoussent, deux charges de signes opposés s'attirent.

Quelle force entre 2 µC et −3 µC à 5 cm ?

Environ 21,6 N, attractive, à peu près le poids d'un objet de 2,2 kg, avec des charges de quelques millionièmes de coulomb seulement.

Pourquoi la force électrique est-elle si forte comparée à la gravité ?

Entre deux protons, la répulsion électrique est environ 10³⁶ fois plus forte que l'attraction gravitationnelle. La gravité ne domine à grande échelle que parce que la matière est presque parfaitement neutre.

Quel est le rôle du milieu ?

Un matériau entre les charges affaiblit la force d'un facteur égal à sa permittivité relative : environ 80 dans l'eau, ce qui explique que les sels s'y dissolvent si facilement.

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