L'électricité statique est une partie omniprésente de la vie quotidienne. C'est tout autour de nous, parfois drôle et évident - comme quand il fait dresser vos cheveux - parfois caché et utile, comme lorsqu'il est exploité par l'électronique de votre téléphone portable. Les mois secs d'hiver sont la haute saison pour un inconvénient gênant de l'électricité statique - des décharges électriques comme de minuscules éclairs chaque fois que vous touchez des poignées de porte ou des couvertures chaudes fraîchement sorties de la sécheuse.
L'électricité statique est l'un des phénomènes scientifiques les plus anciens observés et décrits. Le philosophe grec Thalès de Milet a fait le premier compte ; dans ses écrits du VIe siècle avant notre ère, il a noté que si l'ambre était suffisamment frotté, de petites particules de poussière commenceraient à s'y coller. Trois cents ans plus tard, Théophraste poursuit les expériences de Thalès en frottant différentes sortes de pierres et observe également le « pouvoir d'attraction ». Mais aucun de ces philosophes de la nature n'a trouvé d'explication satisfaisante à ce qu'ils ont vu.
Il a fallu près de 2 000 ans de plus avant que le mot anglais « electricity » ne soit inventé pour la première fois, basé sur le latin « electricus », qui signifie « comme l'ambre ». Certaines des expériences les plus célèbres ont été menées par Benjamin Franklin dans sa quête pour comprendre le mécanisme sous-jacent de l'électricité, qui est l'une des raisons pour lesquelles son visage sourit à cause du billet de 100 $. Les gens ont rapidement reconnu l'utilité potentielle de l'électricité.
Bien sûr, au 18ème siècle, les gens utilisaient principalement l'électricité statique dans des tours de magie et d'autres spectacles. Par exemple, l' expérience du " garçon volant " de Stephen Gray est devenue une démonstration publique populaire : Gray a utilisé un pot de Leyde pour charger les jeunes, suspendu à des cordes de soie, puis a montré comment il pouvait tourner les pages d'un livre grâce à l'électricité statique, ou soulever de petits objets simplement en utilisant l'attraction statique.
S'appuyant sur les idées de Franklin, y compris sa prise de conscience que la charge électrique a des saveurs positives et négatives, et que la charge totale est toujours conservée, nous comprenons maintenant au niveau atomique ce qui cause l'attraction électrostatique, pourquoi elle peut provoquer des mini éclairs et comment exploiter ce qui peut être une nuisance pour une utilisation dans diverses technologies modernes.
Que sont ces petites étincelles ?
L'électricité statique se résume à la force interactive entre les charges électriques . A l'échelle atomique, les charges négatives sont portées par de minuscules particules élémentaires appelées électrons. La plupart des électrons sont soigneusement emballés dans la masse de la matière, qu'il s'agisse d'une pierre dure et sans vie ou des tissus mous et vivants de votre corps. Cependant, de nombreux électrons se trouvent également à la surface de n'importe quel matériau. Chaque matériau différent retient ces électrons de surface avec sa propre force caractéristique différente. Si deux matériaux se frottent l'un contre l'autre, des électrons peuvent être arrachés du matériau "le plus faible" et se retrouver sur le matériau avec une force de liaison plus forte.
Ce transfert d'électrons - ce que nous appelons une étincelle d'électricité statique - se produit tout le temps. Des exemples tristement célèbres sont des enfants glissant sur un toboggan de terrain de jeu, des pieds traînant le long d'un tapis ou quelqu'un enlevant des gants de laine pour se serrer la main.
Mais nous remarquons son effet plus fréquemment pendant les mois secs de l'hiver, lorsque l'air a une très faible humidité . L'air sec est un isolant électrique, tandis que l'air humide agit comme un conducteur. Voici ce qui se passe : dans l'air sec, les électrons sont piégés à la surface avec la force de liaison la plus forte. Contrairement à l'air humide, ils ne trouvent pas le chemin pour retourner à la surface d'où ils viennent, et ils ne peuvent pas uniformiser à nouveau la répartition des charges.
Une étincelle électrique statique se produit lorsqu'un objet avec un surplus d'électrons négatifs s'approche d'un autre objet avec moins de charge négative et que le surplus d'électrons est suffisamment important pour faire "sauter" les électrons. Les électrons circulent de l'endroit où ils se sont accumulés - comme sur vous après avoir marché sur un tapis en laine - jusqu'à la prochaine chose que vous contactez qui n'a pas un excès d'électrons comme une poignée de porte.
Lorsque les électrons n'ont nulle part où aller, la charge s'accumule sur les surfaces - jusqu'à ce qu'elle atteigne un maximum critique et se décharge sous la forme d'un minuscule éclair. Donnez aux électrons un endroit où aller - comme votre doigt tendu - et vous ressentirez très certainement le zap.
La puissance des mini-étincelles
Bien que parfois ennuyeux, la quantité de charge en électricité statique est généralement assez faible et plutôt innocente. La tension peut être environ 100 fois supérieure à la tension des prises de courant typiques. Cependant, ces tensions énormes ne sont pas à craindre, car la tension n'est qu'une mesure de la différence de charge entre les objets. La quantité "dangereuse" est le courant, qui indique combien d'électrons circulent. Étant donné que, généralement, seuls quelques électrons sont transmis dans une décharge électrique statique, ces zaps sont assez inoffensifs .
Néanmoins, ces petites étincelles peuvent être fatales aux composants électroniques sensibles, tels que les composants matériels d'un ordinateur. De petits courants transportés par seulement quelques électrons peuvent suffire à les faire frire accidentellement. C'est pourquoi les travailleurs des industries électroniques doivent rester à la terre, ce qui est essentiellement une connexion filaire à laquelle les électrons ressemblent à une "maison" d'autoroute vide. Il est également facile de se mettre à la terre en touchant un composant métallique ou en tenant une clé dans la main. Les métaux sont de très bons conducteurs, et les électrons sont donc très heureux d'y aller.
Une menace plus sérieuse est une décharge électrique à proximité de gaz inflammables. C'est pourquoi il est conseillé de se mettre à la terre avant de toucher les pompes des stations-service ; vous ne voulez pas qu'une étincelle parasite brûle les vapeurs d'essence perdues. Ou vous pouvez investir dans le type de bracelet antistatique largement utilisé par les travailleurs des industries électroniques pour mettre à la terre en toute sécurité les individus avant qu'ils ne travaillent sur des composants électroniques très sensibles. Ils empêchent les accumulations statiques à l'aide d'un ruban conducteur qui s'enroule autour de votre poignet.
Dans la vie de tous les jours, la meilleure méthode pour réduire les accumulations de charge consiste à utiliser un humidificateur pour augmenter la quantité d'humidité dans l'air. De plus, garder votre peau humide en appliquant une crème hydratante peut faire une grande différence. Les draps de séchage empêchent les charges de s'accumuler lorsque vos vêtements sèchent par culbutage en étalant une petite quantité d'assouplissant sur le chiffon. Ces particules positives équilibrent les électrons libres et la charge effective s'annule, ce qui signifie que vos vêtements ne sortiront pas du sèche-linge collés les uns aux autres. Vous pouvez également appliquer de l'assouplissant sur vos tapis pour éviter l'accumulation de charges. Enfin, il vaut mieux porter des vêtements en coton et des chaussures à semelles en cuir que des vêtements en laine et des chaussures à semelles en caoutchouc.
Exploiter l'électricité statique
Malgré les nuisances et les dangers possibles de l'électricité statique, elle a certainement ses avantages.
De nombreuses applications quotidiennes de la technologie moderne reposent de manière cruciale sur l'électricité statique. Par exemple, les photocopieurs utilisent l'attraction électrique pour "coller" des particules de tons chargés sur du papier. Les désodorisants donnent non seulement une odeur agréable à la pièce, mais ils éliminent également les mauvaises odeurs en déchargeant de l'électricité statique sur les particules de poussière, dissimulant ainsi la mauvaise odeur.
De même, les cheminées des usines modernes utilisent des plaques chargées pour réduire la pollution. Au fur et à mesure que les particules de fumée montent dans la cheminée, elles ramassent des charges négatives à partir d'une grille métallique. Une fois chargés, ils sont attirés par les plaques des autres côtés de la cheminée qui sont chargées positivement. Enfin, les particules de fumée chargées sont collectées sur un plateau à partir des plaques collectrices qui peuvent être éliminées.
L'électricité statique a également trouvé sa place dans la nanotechnologie , où elle est utilisée, par exemple, pour capter des atomes isolés par des faisceaux laser. Ces atomes peuvent ensuite être manipulés à toutes sortes de fins comme dans diverses applications informatiques. Une autre application passionnante en nanotechnologie est le contrôle des nanoballons , qui, grâce à l'électricité statique, peuvent être commutés entre un état gonflé et un état effondré. Ces machines moléculaires pourraient un jour administrer des médicaments à des tissus spécifiques du corps.
L'électricité statique a connu deux millénaires et demi depuis sa découverte. C'est toujours une curiosité et une nuisance - mais il s'est également avéré important pour notre vie quotidienne.
Sebastian Deffner est professeur adjoint de physique à l'Université du Maryland, dans le comté de Baltimore. Cet article a été co-écrit par Muhammed Ibrahim, qui mène des recherches en collaboration avec Deffner sur la réduction des erreurs de calcul dans les mémoires quantiques.
Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Vous pouvez trouver l' article original ici .
