La charge électrique est tout autour de vous, mais vous ne la remarquez vraiment qu'en de rares occasions, comme lorsque vos cheveux se terminent après avoir enlevé un chapeau ou lorsque vous obtenez un zap net lorsque vous tendez la main pour toucher quelque chose après avoir frotté vos pieds le long du tapis.

Ces deux phénomènes sont des exemples d'électricité statique, quelque chose que vous avez probablement appris lorsque vous étiez enfant. Mais comment la charge statique fait-elle tenir vos cheveux et pourquoi peut-elle vous donner un choc statique?

Que se passe-t-il réellement au niveau atomique qui produit ces expériences universelles? Apprendre les détails de l'électricité statique vous donne un aperçu beaucoup plus détaillé de cette propriété fascinante de la matière.
Les bases de la charge électrique

La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière. Il est séparé en charges positives et charges négatives, et bien que certaines particules soient électriquement neutres - comme le neutron - elles sont en fait composées de particules encore plus fondamentales qui portent
une charge électrique.

Les deux particules chargées les plus importantes à connaître lorsque vous découvrez l'électricité statique sont deux des principaux composants d'un atome: les protons et les électrons.

Les protons sont chargés positivement, avec une charge de + e
, tandis que les électrons sont chargés négativement à - e
, où e
\u003d 1,602 × 10 ^{- 19 C. Le C ici signifie coulombs, qui est l'unité SI pour la charge électrique. Le 10 - 19 vous indique que les particules chargées ont des valeurs de charge très petites
par rapport à un coulomb - deux charges de seulement 1 C séparées par un mètre généreraient une force plus grande que la poussée de la poussée de lancement de la fusée Saturn V!}

La règle fondamentale pour le fonctionnement de la charge électrique est que les charges opposées s'attirent et se repoussent. Donc, si vous apportiez un électron près d'un autre électron, ils se repousseraient, alors que si vous apportiez un électron près d'un proton, il serait attiré par lui.
Définition de l'électricité statique

Au plus basique niveau, l'électricité statique se réfère simplement à des charges qui ne bougent pas. L'élément clé de l'électricité statique est qu'il se produit lorsqu'il y a un déséquilibre de charge, et ce déséquilibre crée essentiellement un potentiel électrique, ce qui signifie qu'il existe un potentiel de courant électrique à circuler (pour rééquilibrer la charge) en raison des positions de charge - transportant des particules.

Dans les atomes, et par extension la plupart des objets du quotidien, il y a un équilibre entre les charges positives et négatives (c'est-à-dire entre les protons et les électrons), donc ils sont électriquement neutres quand on les considère tous ensemble.

Donc, si vous rapprochiez un atome d'un autre, il n'y aurait pas de force électrique entre eux car toutes les charges positives sont équilibrées par des charges négatives, il n'y a donc pas de charge nette pour générer une force.

Bien que ce soit vraiment un peu plus compliqué que cela (parce que les électrons se déplacent toujours, donc ils ne bloquent pas toujours la charge positive des protons), cette situation neutre crée un contraste clair avec ce qui se passe quandil y a une accumulation de charge statique.

En substance, quand un objet (comme vos cheveux après avoir frotté un ballon dessus) gagne un excès ou un déficit de charge (donc plus ou moins d'électrons que dans son état ordinaire) ), il n'est alors plus neutre et peut générer ce que vous appelez de l'électricité statique. En revanche, l'électricité ordinaire est un mouvement continu
de charge (sous forme d'électrons dans un courant électrique), tandis que l'électricité statique n'implique pas de mouvement jusqu'à ce que
les charges se rééquilibrent - et peut-être vous donner un coup sec dans le processus!
Comment l'électricité statique fonctionne

L'électricité statique dépend fondamentalement d'un déséquilibre entre les charges positives et les charges négatives, mais en réalité, ce ne sont que les électrons qui se déplacent pour créer cela déséquilibre.

Dans un atome, les protons sont étroitement liés dans le noyau (avec les neutrons), et les deux sont considérablement plus lourds que les électrons chargés négativement qui restent dans un "nuage" autour l'extérieur du noyau.

Parce que ces particules plus légères sont à l'extérieur, quand un objet entre en contact avec un autre, ce sont les électrons qui peuvent se transférer entre eux, et les frotter ensemble augmente le taux d'accumulation de charge. Donc, si un objet capte des électrons supplémentaires, il devient chargé négativement, tandis que s'il perd des électrons, il devient chargé positivement.

Les matériaux isolants retiennent bien une charge statique, alors qu'un bon conducteur ne maintiendra une charge statique que dans certains situations. Un conducteur qui reçoit des électrons supplémentaires ne détient pas de charge statique car les électrons peuvent circuler librement à travers le matériau (ce qui est la définition d'un bon conducteur).

Ainsi, toute accumulation de charge se dissipe trop rapidement pour créer une électricité statique perceptible et il peut être transféré dans d'autres objets à moins qu'il ne soit complètement isolé du reste de l'environnement. Parce que le courant ne peut pas circuler dans un isolant, l'accumulation statique crée rapidement un déséquilibre de charge notable et génère ainsi de l'électricité statique.

Parce que les charges similaires se repoussent et les charges opposées s'attirent, quand quelque chose a une charge statique, il collera aux objets de charge opposée, et il peut aussi parfois polariser des atomes dans un objet par ailleurs neutre et s'y coller aussi - la façon dont un ballon colle à un mur après que vous l'avez frotté sur la tête.

Si la charge l'accumulation est suffisamment grande et une tension relativement élevée est atteinte entre les deux surfaces ou objets, la charge peut sauter d'un objet à un autre. C'est pourquoi vous pouvez obtenir un zap du choc statique si vous frottez vos pieds sur le sol, puis touchez une poignée de porte.
Exemples d'électricité statique

Il existe de nombreux exemples d'électricité statique que vous aurez rencontrez dans la vie quotidienne, même si vous ne pensez pas nécessairement au rôle que la charge statique joue dans leur fonctionnement.

Un exemple particulièrement courant est l'adhérence statique dans les vêtements, surtout après avoir utilisé le sèche-linge, qui garde l'idéal conditions pour que l'électricité statique se développe, et implique également des vêtements se frottant les uns contre les autres et potentiellement ramasser des électrons supplémentaires sur le chemin. Le choc statique des vêtements ainsi chargés a tendance à être assez faible, mais vous le remarquerez certainement quand vous en aurez un!

Les photocopieurs sont un excellent exemple de la façon dont l'électricité statique peut être utilisée à bon escient. La lumière vive qui numérise le document crée une «ombre» électrique de l'image sur une courroie photoconductrice (c'est-à-dire sensible à la lumière) et, lorsqu'elle tourne, elle capte les particules de toner chargées négativement à cause de la charge statique.

En dessous, une autre ceinture amène une feuille de papier, ce qui lui donne une forte charge statique positive dans le processus. Lorsque les charges négatives du toner rencontrent les charges positives sur le papier, le toner s'imprime sur la feuille de papier, dans le même modèle que l'ombre captée par la courroie photoconductrice.

Un autre exemple devrait vous prendre retour à un cours de physique à l'école: le générateur Van de Graaff, et la démonstration classique où quelqu'un touchant la sphère se fait coiffer. Le générateur fonctionne en fonction du mouvement des charges électriques statiques, avec une courroie mobile sur toute la longueur de l'appareil et deux "peignes" métalliques pour contrôler la charge statique.

Un peigne chargé positivement en bas ( connecté à une alimentation électrique) attire les électrons de la ceinture, la laissant avec une charge positive nette, et cette charge est captée par un peigne en haut, qui l'étale vers le grand dôme en haut. Si vous touchez le dôme pendant le processus de charge, des mèches individuelles de vos cheveux ramassent les charges correspondantes et se repoussent, ce qui les tient debout!
Expérience de cerf-volant de Benjamin Franklin

Les éclairs sont une démonstration très spectaculaire de la puissance de l'électricité statique, et Benjamin Franklin l'a prouvé dans l'une des démonstrations scientifiques les plus connues de tous les temps en attachant une clé à une corde de cerf-volant mouillée pendant un orage.

Bien que ce soit un mythe que le le cerf-volant a en fait été frappé par un éclair (cela aurait probablement tué Franklin), le champ électrique de la tempête a été capté par la corde qui, tout comme la démonstration classique du générateur Van de Graaff, a fait tenir les brins de la ficelle sur fin. Enfin, Franklin a touché la touche et a ressenti le zap d'un choc statique, démontrant clairement le lien entre l'électricité et la foudre.

Bien sûr, les scientifiques ont fourni beaucoup plus de détails sur le processus depuis l'époque de Benjamin Franklin. Tout comme les vêtements se frottant les uns contre les autres dans la sécheuse ou un ballon frottant contre vos cheveux, la charge statique qui crée la foudre provient de la friction et des cristaux de glace dans l'air froid rencontrant les gouttelettes d'eau d'une masse d'air chaud.

La charge s'accumule à différents endroits dans le nuage, et lorsqu'il y a une différence suffisamment élevée de potentiel électrique entre ces endroits (c'est-à-dire une tension suffisamment élevée), elle est libérée sous la forme d'un éclair. Cela se produit généralement dans
des nuages ou entre deux nuages, mais parfois le boulon heurte le sol.
La série triboélectrique

L'accumulation de charge statique causée par le frottement et le frottement est techniquement appelé l'effet triboélectrique, et sur la base de cet article, vous connaissez déjà les détails de ce qui cause cela et comment cela fonctionne. Les objets entrant en contact les uns avec les autres conduisent l'un à capter des électrons supplémentaires (tous porteurs de charges négatives) et l'autre à développer un déficit d'électrons et donc une charge nette positive.

Cependant, la mesure dans laquelle différents les matériaux prennent une charge négative ou perdent des électrons et gagnent une charge positive varie en fonction des caractéristiques du matériau. Alors que les isolateurs sont généralement meilleurs pour capter la charge statique, différents isolants la ramassent à des taux différents.

Par exemple, la plupart des types de caoutchouc, et en particulier le téflon, ramassent les électrons très facilement et en tant que tels sont parfaits pour démonstrations et pièces technologiques dépendant de l'électricité statique. Les matériaux diffèrent en fonction de leur «électronégativité», ce qui signifie essentiellement leur affinité électronique, ou leur tendance à les capter d'autres objets.

La série triboélectrique met en ordre différents matériaux en fonction de leur capacité à capter un positif ou une charge statique négative. Les éléments placés vers le haut de la série triboélectrique sont susceptibles de ramasser une charge positive, tandis que ceux du bas sont plus susceptibles de gagner des électrons et de ramasser une charge négative en conséquence. Plus la séparation entre deux éléments de la série triboélectrique est grande, plus le fait de les frotter ensemble créera une charge statique dans les deux.
Les dangers de l'électricité statique

Alors que la plupart des démonstrations d'électricité statique sont des affichages amusants ou des curiosités mineures que vous rencontrez dans la vie de tous les jours, il est important de se rappeler que les charges statiques indésirables peuvent avoir de graves conséquences.

Par exemple, une seule étincelle d'électricité statique peut enflammer des liquides inflammables ou gaz et potentiellement provoquer une explosion. L'accumulation d'électricité statique qui glisse sur votre siège d'auto pourrait même potentiellement causer un problème lors du remplissage de votre gaz, et vous devez donc toujours toucher la partie métallique de la voiture avant de faire le plein.

Bien sûr, la plupart du temps, l'électricité statique n'est vraiment qu'un phénomène intéressant, mais comprendre comment cela fonctionne peut vous aider à éviter une catastrophe dans certaines situations.