L’électricité statique fait partie intégrante de la vie quotidienne. C'est tout autour de nous, parfois drôle et évident – comme quand cela vous fait dresser les 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 ennuyeux 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 du sèche-linge.
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 récit ; au VIe siècle avant notre ère. Dans ses écrits, il a noté que si l’ambre était frotté suffisamment fort, de petites particules de poussière commenceraient à s’y coller. Trois cents ans plus tard, Théophraste poursuivit les expériences de Thalès en frottant différents types de pierres et observa également le « pouvoir d'attraction ». Mais aucun de ces philosophes naturels n'a trouvé d'explication satisfaisante à ce qu'ils ont vu.
Il a fallu près de 2 000 ans supplémentaires avant que le mot anglais « électricité » 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, ce qui est l’une des raisons pour lesquelles son visage sourit devant le billet de 100 dollars. Les gens ont rapidement compris l'utilité potentielle de l'électricité.
Bien entendu, au XVIIIe siècle, les gens utilisaient principalement l’électricité statique dans les tours de magie et 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 recharger les jeunes, suspendu à des cordons de soie, puis 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.
En nous appuyant sur les idées de Franklin, y compris sa prise de conscience que la charge électrique se présente sous des formes 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 l'exploiter. ce qui peut être une nuisance pour une utilisation dans diverses technologies modernes.
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L'électricité statique se résume à la force interactive entre les charges électriques. À 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. Si deux matériaux frottent l'un contre l'autre, les électrons peuvent être arrachés du matériau « le plus faible » et se retrouver sur le matériau ayant une force de liaison plus forte.
Ce transfert d’électrons – ce que nous appelons une étincelle d’électricité statique – se produit constamment. Des exemples tristement célèbres sont des enfants qui glissent sur un toboggan d'une aire de jeux, des pieds qui traînent sur un tapis ou quelqu'un qui enlève des gants en laine pour se serrer la main.
Mais nous remarquons son effet plus fréquemment pendant les mois secs de l’hiver, lorsque l’air est très peu humide. L’air sec est un isolant électrique, tandis que l’air humide agit comme conducteur. Voici ce qui se passe :dans l’air sec, les électrons sont piégés à la surface avec une force de liaison plus forte. Contrairement à l'air humide, ils ne peuvent pas retrouver leur chemin pour retourner vers 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 se rapproche 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 touchez et 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.
Bien que parfois ennuyeuse, la quantité de charge d’électricité statique est généralement assez faible et plutôt inoffensive. La tension peut être environ 100 fois supérieure à celle des prises de courant classiques. Cependant, ces énormes tensions n’ont rien d’inquiétant, puisque 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. Puisque généralement seuls quelques électrons sont transmis dans une décharge électrique statique, ces zaps sont plutôt 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 connectés 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 grave 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 parasites. Vous pouvez également investir dans le type de bracelet antistatique largement utilisé par les travailleurs des industries électroniques pour mettre à la terre les individus en toute sécurité avant de travailler sur des composants électroniques très sensibles. Ils empêchent l'accumulation d'électricité statique grâce à un ruban conducteur qui s'enroule autour de votre poignet.
Dans la vie de tous les jours, la meilleure méthode pour réduire l’accumulation de charges consiste à faire fonctionner un humidificateur pour augmenter la quantité d’humidité dans l’air. Garder votre peau hydratée en appliquant une crème hydratante peut également faire une grande différence. Les feuilles assouplissantes empêchent l'accumulation de charges lorsque vos vêtements sèchent en étalant une petite quantité d'assouplissant sur le tissu. 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 frotter un assouplissant sur vos tapis pour éviter l’accumulation de charges. Enfin, il est préférable de porter des vêtements en coton et des chaussures à semelles de cuir plutôt que des vêtements en laine et des chaussures à semelles en caoutchouc.
Malgré les nuisances et les dangers possibles de l'électricité statique, elle a certainement ses avantages.
De nombreuses applications quotidiennes de la technologie moderne dépendent essentiellement de l’électricité statique. Par exemple, les photocopieurs utilisent l'attraction électrique pour « coller » des particules de tons chargés sur du papier. Les assainisseurs d'air 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. À mesure que les particules de fumée remontent la cheminée, elles captent des charges négatives provenant d’une grille métallique. Une fois chargés, ils sont attirés vers 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 individuels au moyen de faisceaux laser. Ces atomes peuvent ensuite être manipulés à toutes sortes de fins comme dans diverses applications informatiques. Une autre application passionnante de la nanotechnologie est le contrôle des nanoballons, qui, grâce à l'électricité statique, peuvent passer d'un état gonflé à un état effondré. Ces machines moléculaires pourraient un jour administrer des médicaments à des tissus spécifiques du corps.
L'électricité statique existe depuis sa découverte il y a deux millénaires et demi. 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, 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 La conversation sous licence Creative Commons. Vous pouvez trouver le article original ici .
