La charge électrique, les ions et les porteurs de charge biologiques

Idée centrale

La charge électrique est une propriété de la matière. Les atomes et les molécules peuvent être porteurs de charge.

Concepts clés

• La charge électrique
• Les ions
• Les porteurs de charge
• La neutralité des tissus
• Courant électrique et mouvement des charges (introduction)

La charge électrique

Pour comprendre les phénomènes électriques, une propriété fondamentale de la matière est nécessaire: la charge électrique. Toute la matière qui constitue l’Univers est faite de protons, de neutrons et d’électrons. Ces particules possèdent toutes une masse et une charge soit positive, négative ou neutre. Les protons et les électrons portent ce qu’on appelle la charge élémentaire e. Il s’agit de la plus petite charge possible pour la matière. Pour sa part, le neutron est neutre : il n’a pas de charge électrique et ne va donc pas subir les effets électriques.

Le proton est chargé positivement. Sa charge est donc

$$q=+e$$

L’électron est chargé négativement. Sa charge est donc

$$q=-e$$

Pour les personnes curieuses, la charge élémentaire vaut

$$e=1.6\times 10^{-19}C$$

La charge électrique se mesure en Coulomb (C). C’est l’unité de la charge électrique dans le système international d’unités (comme le kilogramme pour la masse).

La charge électrique de la matière sera déterminée selon l’équilibre de l’ensemble de ses charges. La matière est électriquement neutre, c’est-à-dire qu’elle possède autant de charges positives que de charges négatives. Lorsqu’il y a un surplus ou un déficit de charges, on dira que la matière est chargée. Par exemple, un atome à qui manque un électron ($q=-e$) aura un déficit d’une charge négative. Il aura donc une charge positive de plus et il sera donc chargé positivement ($q=+e$).

Les ions

On a vu que la matière (électriquement neutre) peut devenir chargée si elle a un surplus ou un déficit de charges électriques. Lorsqu’un atome ou une molécule a gagné ou perdu des électrons, on l’appelle ion. Les ions peuvent être chargés positivement ou négativement:

• Ion positif : possède plus de protons que d’électrons. On l’appelle Cation.
• Ion négatif: possède plus d’électrons que de protons. On l’appelle Anion.

Par exemple, le sel de table ($NaCl$) se dissout dans l’eau et donne deux ions: $N{a}^{+}$ et $C{l}^{-}$. On a donc un ion positif ($N{a}^{+}$) qui porte une charge $Q=+e$ et un ion négatif ($C{l}^{-}$) qui porte une charge $Q=-e$. Leur charge électrique vient ici d’un déficit d’un seul électron pour le Sodium ($Na$) et du surplus d’un seul électron pour le Chlore ($Cl$).

On utilise le ${}^{+}$ et le ${}^{-}$ pour identifier la charge des ions. Par exemple, si un ion a un surplus de 2 électrons, on le notera comme ceci: $S^{2-}$.

Contexte: iontophorèse

L’iontophorèse consiste à utiliser l’électricité pour faire pénétrer des ions dans les tissus du patient pour obtenir un effet thérapeutique. Selon l’objectif visé, on utilisera différents médicaments qui seront la source des ions qui seront migrés électriquement dans les tissus. Par exemple, on utilisera une solution de $MgS{O}_4$ pour obtenir des ions de magnésium $M{g}^{+}$ utilisés comme relaxant musculaire. Nous reviendrons sur les principes de fonctionnement de l’iontophorèse dans les prochaines sections.

Le courant électrique

Lorsque des porteurs de charge se déplacent de manière ordonnée, on parle de courant électrique. On donnera une définition plus formelle du courant dans un prochain chapitre. Pour l’instant, on peut retenir qu’un courant électrique apparait lorsque des porteurs de charges sont forcés de se déplacer dans une direction privilégiée dans un milieu. Ce qui “force” les charges à se déplacer sera expliqué dans le chapitre 2.

Par exemple, si on connecte un fil métallique à une pile, les électrons seront forcés de se déplacer dans le fil sous l’effet de la pile. On va donc mesurer un courant électrique. De la même manière, si on branche des électrodes sur le bras d’un patient, les ions qui se trouvent dans les tissus vont être forcés de se déplacer pour produire un courant électrique.

Dans le cas des métaux, seuls les électrons (chargés négativement) se déplacent.

Pour les tissus, les ions positifs et négatifs vont se déplacer.

Important

Les ions qui se déplacent dans les tissus pour produire le courant ne sont pas les mêmes que les ions que l’on veut faire pénétrer dans les tissus par iontophorèse. Les ions du médicament ne sont pas liés au courant dans le tissu, ce sont deux phénomènes différents. Les ions du médicament vont pénétrer localement dans les tissus proche de l’électrode où on l’applique. Les ions responsables du courant électrique se trouvent déjà dans les tissus entre les électrodes. Ils vont tous se mettre en mouvement simultanément en raison des électrodes.

Les milieux biologiques

Selon le milieu utilisé pour faire circuler un courant électrique, les porteurs de charge responsables du courant électrique vont changer. Dans le cas des tissus biologiques, on cherchera à déplacer des ions, positifs et/ou négatifs, dans les tissus. Que ce soit pour forcer des ions à travers les tissus ou encore de stimuler une impulsion neuromusculaire, ce sont les ions qui vont subir les effets électriques.

À retenir