Schéma du montage expérimental. Un circuit électrique équivalent est affiché dans le coin supérieur droit. La charge est « partagée » entre la capacité avec le plateau supérieur et le plateau inférieur. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abg7595
Un nouveau rapport sur Avancées scientifiques développé par Mirco Kaponig et ses collègues en physique et nanointégration en Allemagne, a détaillé le concept très basique de l'électrification de contact entre deux métaux. Dans une nouvelle méthode expérimentale, les chercheurs ont suivi la charge d'une petite sphère rebondissant sur une électrode plane mise à la terre sur une échelle de temps allant jusqu'à 1 microseconde. L'équipe a noté comment la sphère s'est déchargée au moment du contact pendant 6 à 8 microsecondes. Au moment de la rupture du contact électrique, la sphère a retrouvé sa charge bien au-delà des attentes par rapport à la différence de potentiel de contact. L'excès de charge est apparu avec l'augmentation de la surface de contact.
Contacter l'électrification
L'électrification par contact est un phénomène omniprésent qui se produit lorsque deux surfaces se touchent. Le processus est une méthode élémentaire de triboélectricité qui peut être observée directement dans la vie quotidienne. Le phénomène est responsable de la foudre dans les orages, tempêtes de sable ou panaches volcaniques. Le processus peut être une préoccupation majeure lors de la manipulation de liquides ou de poussières potentiellement explosifs. Par conséquent, les chercheurs ont établi des règles de sécurité empiriques pour éviter les dangers causés par les décharges électriques lors de la charge triboélectrique. Bien que le phénomène ait été décrit depuis plus de 2000 ans, les mécanismes sous-jacents sont encore débattus. Les scientifiques considèrent généralement trois types de transfert de charge, y compris le transfert d'électrons, des ions ou un matériau avec une charge partielle. Dans les contacts métal-métal, les électrons peuvent être transférés entre deux surfaces pour établir un potentiel de contact. La quantité de charge transférée dépendait également de la capacité mutuelle lorsque le contact électrique est interrompu, et le transfert de charge observé soutenait fortement le concept de transfert d'électrons pour les contacts métal-métal. La situation est moins évidente pour les contacts métal-isolant ou isolant-isolant. Kaponig et al. a donc présenté une nouvelle technique expérimentale pour analyser le transfert de charge lors de l'électrification des contacts, avec une résolution sans précédent.
Mesure de la charge sur la plaque inférieure du condensateur et grandeurs dérivées. (A) Le signal mesuré au niveau de la plaque inférieure superposé à une simulation selon les équations. 1 et 3. Il montre un accord parfait, sauf au tout début et au sommet de la première parabole à cause de la distorsion de champ au voisinage du trou d'entrée, qui n'est pas inclus dans la description numérique. A l'échelle donnée, le bruit du signal est à peine visible. L'histogramme dans le coin supérieur droit affiche la charge sur la sphère entre les contacts. (B) La position verticale de la sphère rebondissant sur la plaque dérivée des temps de contact. (C) Le potentiel calculé selon l'Eq. 4. dans l'étude révèle que la sphère peut atteindre une tension allant jusqu'à 10 V. Crédit :Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abg7595 
Les travaux ont révélé comment le potentiel électrique d'une particule métallique rebondissant sur une surface métallique évoluait avec le temps. Sur la base des résultats, Kaponig et al. noté comment la charge augmentait avec la vitesse d'impact dans les contacts métal-métal; une caractéristique couramment observée avec les contacts métal-isolant et isolant-isolant, mais jusqu'ici inobservée pour les contacts métal-métal. Lors des expérimentations, cela a conduit à des potentiels électriques étonnamment élevés pour les contacts purement métalliques. Le contact électrique n'étant établi que quelques microsecondes lors d'un contact mécanique, le procédé n'a pas conservé les paramètres de la charge avant contact. Le potentiel de la sphère n'était donc réduit qu'au potentiel de contact de quelques dixièmes de volt. Lorsque le contact électrique s'est détaché de la surface, cependant, la charge sur la sphère a établi un potentiel allant jusqu'à 3 V pendant moins de 1 microseconde.
Transfert de charge
Détails du premier et du deuxième contact d'environ 100 µs avant et 100 µs après le contact. (A) La charge mesurée et simulée ainsi que le potentiel dérivé pour le premier contact. L'écart marqué par * est dû à la « réponse mécanique » de la plaque après l'impact de la sphère. La ligne horizontale correspond à la charge initiale de la sphère ou au point zéro du potentiel. Les lignes verticales en pointillés indiquent l'intervalle de temps du contact mécanique. Le plateau du signal correspond au contact électrique. Les encarts esquissent la répartition des charges sur la sphère et les plaques. La taille relative de la sphère est fortement exagérée. La déformation est schématique; en réalité, la sphère et la surface sont déformées. (B) La hauteur correspondante de la sphère. Le mouvement avant et après le contact est presque linéaire sur l'échelle de temps courte. (C) La capacité calculée avant et après le contact par la ligne verte. Lors du contact, une valeur provisoire proportionnelle à la zone de contact est esquissée par la ligne rouge en pointillés. La flèche indique la valeur de la capacité au moment même où le contact électrique est rompu. On suppose que la capacité est améliorée par rapport à la géométrie idéale en raison de la déformation de la zone de contact en créant des surfaces adjacentes relativement grandes. (D) La charge mesurée et calculée ainsi que le potentiel dérivé pour le deuxième contact. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abg7595
Les scientifiques avaient déjà étudié le transfert de charge de particules rebondissant sur une surface inclinée en se basant sur une détection électrostatique sans contact. Kaponig et al. a donc développé un schéma expérimental pour mesurer la charge avant et après contact de surface pour suivre la dynamique en temps réel. Dans la configuration, ils ont obtenu une résolution meilleure que 1 microseconde dans le temps pour environ 6000 électrons. Ils ont étudié le mouvement et l'électrification des contacts en laissant tomber des sphères d'or de 1 mm de diamètre à travers un petit orifice dans un condensateur à plaques parallèles. Les sphères rebondissaient sur une plaque inférieure pratiquement mise à la terre, permettant aux scientifiques de mesurer les charges induites et transférées. L'équipe a réalisé les expériences sous vide. Le signal détecté à la plaque inférieure de l'installation avait deux contributions dont la charge sur la sphère et la charge transférée à la sphère. L'équipe a noté le signal d'affichage d'une sphère d'or rebondissant plus de 15 fois sur la plaque inférieure du condensateur en cuivre, la trajectoire de la sphère était constituée de segments de chute libre, démarrage et achèvement par contact avec la plaque.
Lorsque Kaponig et al. inspecté de près le signal, ils ont identifié les moments de contact par des changements brusques de la charge mesurée. Ils ont noté comment le temps passé entre deux contacts déterminait le segment de la trajectoire. L'équipe a ensuite appliqué une tension à la rampe pour guider la sphère jusqu'à l'entrée du condensateur, où la sphère était chargée positivement avant d'entrer dans le condensateur et se chargeait négativement lors du premier contact. L'amplitude observée de la charge était étonnamment élevée. Les chercheurs ont ensuite répété l'expérience avec différentes charges initiales, où la sphère s'est chargée négativement au premier contact et au suivant. Une autre clé pour comprendre l'électrification de contact comprenait le potentiel de la sphère. Sur la base de l'amplitude élevée de la charge sur la sphère, l'équipe a noté un potentiel de plusieurs volts étonnamment élevé pour un système purement métallique. Le contact électrique n'a été établi comme contact mécanique que pendant quelques microsecondes. Le potentiel de la sphère a donc été réduit au potentiel de contact de quelques dixièmes de volt. Au fur et à mesure que la distance entre la sphère et la plaque augmentait, le potentiel a encore augmenté.
Perspectives
L'équipe a décrit les observations à l'aide d'un modèle de contact métallique dans lequel la zone de contact augmentée pour le premier contact, suivie d'une énorme capacité formée à l'interface en raison de la distance minimale entre les charges. Cette capacité est chargée au potentiel de contact de l'ordre des picocoulombs. En cas de rupture de contact, les deux surfaces adjacentes de la plaque et de la sphère s'ajustent presque étroitement pour former une grande surface à une séparation étroite et une plus grande capacité, où la taille de la zone dépend de la vitesse de la sphère. De cette façon, Mirco Kaponig et ses collègues ont montré comment une sphère métallique rebondissant sur une plaque métallique atteignait un potentiel allant jusqu'à 10 V, en raison d'une déformation de la zone de contact. Cela a conduit à une augmentation de la capacité entre la sphère et la plaque lors d'une rupture de contact électrique. Les résultats sont importants pour l'électrification de contact et la triboélectricité pour un transfert de charge amélioré.
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