Les différents types d'interactions
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Objectif
• Découvrir les trois interactions fondamentales
de la matière.
La cohésion de la matière est assurée,
à des échelles différentes (microscopique,
humaine et astronomique), par trois types
d’interactions :
- les interactions gravitationnelles ;
- les interactions électriques ;
- l’interaction forte.
Les lois de Newton (pour les interactions gravitationnelles) et de Coulomb (pour les interactions électriques) définissent leurs caractéristiques (sens, direction, valeur).
La diversité de la matière est telle que, suivant l'échelle considérée, un seul type d’interaction prédomine.
- les interactions gravitationnelles ;
- les interactions électriques ;
- l’interaction forte.
Les lois de Newton (pour les interactions gravitationnelles) et de Coulomb (pour les interactions électriques) définissent leurs caractéristiques (sens, direction, valeur).
La diversité de la matière est telle que, suivant l'échelle considérée, un seul type d’interaction prédomine.
1. L'interaction gravitationnelle
Au XVIIe siècle, Isaac Newton affirme que
deux objets possédant une masse s'attirent. Ce
phénomène est appelé interaction
gravitationnelle ou gravitation universelle. En
assimilant les objets à des points matériels,
Newton énonce la loi qui porte son nom (loi de
Newton).
a. Loi de Newton
Deux corps A et B, de masses
respectives mA et
mB et séparés par
une distance d, exercent l'un sur l'autre
des forces attractives nommées 
et 
dont
les caractéristiques sont :
– une direction, celle de la droite (AB) ;
– un sens, les forces ont des sens opposés.
est la
force exercée par A sur B, depuis le
corps B vers le corps A. À l'inverse
est la
force exercée par B sur A, depuis le
corps A et vers le corps B ;
– une valeur,
où la constante de la gravitation
universelle 
m3.kg-1.s-2.
Cette valeur est également appelée
constante de Cavendish.
Remarques :
• Les forces gravitationnelles sont toujours attractives.
• Elles sont proportionnelles au produit de la masse de chacun des systèmes, multiplié par l'inverse du carré de leur distance.
• La distance entre les deux systèmes se mesure depuis le centre de gravité de ces systèmes (le centre de la sphère).
• La loi de Newton est valable pour tout objet à répartition sphérique de masse (atome, ballon, planète...).
et dont
les caractéristiques sont :– une direction, celle de la droite (AB) ;
– un sens, les forces ont des sens opposés.
est la
force exercée par A sur B, depuis le
corps B vers le corps A. À l'inverse
est la
force exercée par B sur A, depuis le
corps A et vers le corps B ;– une valeur,
où la constante de la gravitation
universelle m3.kg-1.s-2.
Cette valeur est également appelée
constante de Cavendish.
|
 en
newton (N) ; G en
m3.kg-1.s-2
; mA et mB en
kg ; d en mètre
(m)
|
Remarques :
• Les forces gravitationnelles sont toujours attractives.
• Elles sont proportionnelles au produit de la masse de chacun des systèmes, multiplié par l'inverse du carré de leur distance.
• La distance entre les deux systèmes se mesure depuis le centre de gravité de ces systèmes (le centre de la sphère).
• La loi de Newton est valable pour tout objet à répartition sphérique de masse (atome, ballon, planète...).
b. Application de la loi de Newton
Calculons la valeur des forces d’interaction
gravitationnelles s'exerçant entre le proton et
l'électron de l'atome d'hydrogène.
Soient
et
les
valeurs de ces forces. Ces deux corps étant de
petite taille, ils peuvent être
considérés comme ponctuels. La distance
entre le proton et l’électron est
m.
Leurs masses valent respectivement 
kg
et 
kg.
En appliquant la loi de Newton, cela donne :
Soient
et
les
valeurs de ces forces. Ces deux corps étant de
petite taille, ils peuvent être
considérés comme ponctuels. La distance
entre le proton et l’électron est
m.
Leurs masses valent respectivement kg
et kg.En appliquant la loi de Newton, cela donne :
2. L'interaction électrique
Charles Auguste Coulomb a montré à la fin du
XVIIIe siècle, par analogie avec les
travaux de Newton, que deux objets chargés
électriquement s'attirent ou se repoussent :
– deux charges de même signe se repoussent ;
– deux charges de signes contraires s'attirent.
– deux charges de même signe se repoussent ;
– deux charges de signes contraires s'attirent.
a. Loi de Coulomb
Deux corps A et B, de charges
respectives 
et
,
séparés d'une distance 
,
exercent l'un sur l'autre des forces d’interactions
électriques 
et
dont
les caractéristiques sont :
– une direction : celle de la droite (AB)
– un sens : les sens des deux forces sont opposés et dépendent de la nature attractive ou répulsive des interactions
- une valeur :
où 
(SI) (unité du système
international).
Remarques :
• la valeur de la constante K est valable dans le vide ou dans l'air et dépend du milieu considéré.
• les forces électromagnétiques sont attractives ou répulsives selon les signes respectifs des charges.
• les forces électromagnétiques sont proportionnelles à la charge de chacun des systèmes et inversement proportionnelles au carré de la distance de leurs centres.
et
,
séparés d'une distance ,
exercent l'un sur l'autre des forces d’interactions
électriques et
dont
les caractéristiques sont :– une direction : celle de la droite (AB)
– un sens : les sens des deux forces sont opposés et dépendent de la nature attractive ou répulsive des interactions
- une valeur :
où
(SI) (unité du système
international).
en newton N ; K en (SI) ;
et 
en coulomb C et 
en mètre m.
|
|
Remarques :
• la valeur de la constante K est valable dans le vide ou dans l'air et dépend du milieu considéré.
• les forces électromagnétiques sont attractives ou répulsives selon les signes respectifs des charges.
• les forces électromagnétiques sont proportionnelles à la charge de chacun des systèmes et inversement proportionnelles au carré de la distance de leurs centres.
b. Application de la loi de Coulomb
Calculons la valeur des forces d’interaction
électrique s'exerçant entre le proton et
l'électron de l'atome d’hydrogène.
Dans le cas présent, les forces
d’interaction électriques sont
attractives.
Soient
et
les
valeurs de ces forces. La distance entre le proton et
l'électron est 
m.
Leurs charges valent respectivement 
C
et 
C.
En appliquant la loi de Coulomb, on obtient :
N.
Soient
et
les
valeurs de ces forces. La distance entre le proton et
l'électron est m.
Leurs charges valent respectivement C
et C.En appliquant la loi de Coulomb, on obtient :
N.
3. L'interaction forte
Cette interaction attractive maintient la
cohésion entre les nucléons (protons et
neutrons) du noyau atomique : elle l'empêche de se
désagréger à cause de la
répulsion électrique entre les protons
(particules élémentaires chargées
positivement).
L’interaction forte ne s'exerce pas au-delà d'une distance de l'ordre de 10-14 m (dimension du noyau atomique).
L’interaction forte ne s'exerce pas au-delà d'une distance de l'ordre de 10-14 m (dimension du noyau atomique).
L'essentiel
Il existe trois grands types d’interactions :
– l’interaction gravitationnelle ;
– les interactions électriques (attraction ou répulsion) ;
– l'interaction forte qui maintient la cohésion entre les nucléons du noyau atomique.
Voici, récapitulées dans un tableau, les interactions gravitationnelles et électriques accompagnées des lois qui les caractérisent :
– l’interaction gravitationnelle ;
– les interactions électriques (attraction ou répulsion) ;
– l'interaction forte qui maintient la cohésion entre les nucléons du noyau atomique.
Voici, récapitulées dans un tableau, les interactions gravitationnelles et électriques accompagnées des lois qui les caractérisent :
| Interaction gravitationnelle | Interactions électriques |
| Elle s'exerce entre deux corps de masse quelconque. | Elle s'exerce entre de corps de charge quelconque. |
| Elle est toujours attractive. | Elle est soit attractive, soit répulsive. |
|
Loi de Newton : Deux corps A et B de masses respectives mA et mB séparés d'une distance d, exercent l'un sur l'autre des forces attractives opposées : |
Loi de Coulomb : Deux corps A et B de charges respectives qA et qB séparés d'une distance d, exercent l'un sur l'autre des forces attractives ou répulsives opposées : |
|
|
|
Unités : •  et
 en
newtons N ;•  m3.kg-1.s-2
;• mA et mB en kilogrammes kg ; • d en mètres m. |
Unités : •  et
 en
newtons N ;•  SI
;• qA et qB en coulombs C ; • d en mètres m. |
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