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L’électricité statique
L’électricité statique est une accumulation de charges électriques à la surface d’un objet, le plus souvent par frottement. Elle produit attractions, étincelles et petites décharges, et à grande échelle la foudre.
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Un ballon frotté sur un pull qui colle au mur, des cheveux qui se dressent, une décharge en touchant une poignée de voiture, un crépitement en retirant un vêtement synthétique : ce sont des manifestations de l'électricité statique. Contrairement au courant des prises, où les charges circulent en continu (voir électricité et loi d’Ohm), les charges restent ici accumulées en un endroit, jusqu’à ce qu’elles trouvent un chemin pour s’écouler.
Charges positives et négatives
La matière est faite d'atomes, qui contiennent autant de protons (charge +) que d’électrons (charge −) : ils sont électriquement neutres. Mais les électrons périphériques peuvent passer d’un corps à un autre.
- Un corps qui gagne des électrons devient chargé négativement.
- Un corps qui perd des électrons devient chargé positivement.
Les charges ne se créent pas : elles se déplacent. La charge totale se conserve.
Règle fondamentale : deux charges de même signe se repoussent, deux charges de signes opposés s’attirent. C’est le chimiste français Charles du Fay qui établit, en 1733, l’existence de deux sortes d’électricité ; Benjamin Franklin leur donne les noms de « positive » et « négative ».
Les trois modes d’électrisation
| Mode | Principe | Exemple |
|---|---|---|
| Par frottement (effet triboélectrique) | des électrons passent d’un matériau à l’autre lors du contact et de la séparation | ballon frotté sur les cheveux, peigne en plastique |
| Par contact | un corps chargé partage sa charge avec un corps neutre qu’il touche | toucher une boule chargée avec une tige métallique |
| Par influence | un corps chargé approché d’un conducteur y sépare les charges sans le toucher | un ballon chargé attire de petits morceaux de papier |
Selon les matériaux, certains ont tendance à céder des électrons (peau sèche, cheveux, laine, verre), d’autres à les capter (plastiques comme le PVC ou le téflon, caoutchouc). Le classement s’appelle la série triboélectrique.
La loi de Coulomb
En 1785, Charles-Augustin de Coulomb mesure, grâce à une balance de torsion, la force entre deux charges :
F = k × (q₁ × q₂) / d²
- q₁ et q₂ en coulombs (C), d en mètres, F en newtons ;
- k ≈ 9 × 10⁹ N·m²/C².
Comme la gravitation, la force diminue avec le carré de la distance ; mais elle peut être attractive ou répulsive et elle est immensément plus intense (voir interactions fondamentales). La charge d’un électron vaut −1,602 × 10⁻¹⁹ C ; un coulomb correspond donc à environ 6 × 10¹⁸ électrons.
Pourquoi « prend-on des châtaignes » ?
En marchant sur une moquette synthétique avec des semelles isolantes ou en glissant sur un siège de voiture, le corps accumule des charges. Sa tension par rapport au sol peut atteindre plusieurs milliers, voire une dizaine de milliers de volts. En approchant un objet métallique relié à la terre, les charges s’écoulent brutalement à travers l’air sous forme d’une étincelle : c’est la décharge électrostatique.
Elle est désagréable mais sans danger pour une personne en bonne santé : la tension est élevée, mais la quantité de charge et la durée sont infimes, donc l’énergie aussi.
Le temps sec favorise le phénomène : l’humidité de l’air rend les surfaces légèrement conductrices et permet aux charges de s’écouler progressivement. C’est pourquoi les décharges sont plus fréquentes en hiver, dans les intérieurs chauffés.
La foudre, de l’électricité statique géante
Dans un nuage d’orage (cumulonimbus), les collisions entre cristaux de glace, grésil et gouttelettes séparent les charges : le haut du nuage se charge en général positivement, la base négativement. Quand la différence de potentiel devient suffisante (de l’ordre de centaines de millions de volts), l’air devient conducteur et une gigantesque étincelle éclate : l'éclair (voir orages et foudre). Le canal est porté à environ 30 000 °C ; la dilatation brutale de l’air produit le tonnerre.
En 1752, Benjamin Franklin propose l’expérience du cerf-volant pour montrer la nature électrique de la foudre ; la même année, en France, Thomas-François Dalibard capte des étincelles à Marly-la-Ville avec une tige métallique, selon le protocole de Franklin. Celui-ci invente le paratonnerre, une pointe métallique reliée au sol qui offre à la foudre un chemin sûr.
Applications et risques
Applications :
- les photocopieurs et imprimantes laser fixent la poudre d’encre sur le papier par attraction électrostatique ;
- la peinture électrostatique des carrosseries : les gouttelettes chargées sont attirées par la pièce métallique, ce qui limite les pertes ;
- les électrofiltres captent les poussières des fumées industrielles ;
- les lingettes antipoussière attirent les particules par électrisation.
Risques :
- composants électroniques : une décharge imperceptible peut détruire une puce, d’où les bracelets antistatiques des techniciens ;
- atmosphères explosives : une étincelle peut enflammer vapeurs d’essence, gaz ou poussières (silos, stations-service). D’où la consigne de ne pas remonter dans son véhicule pendant le plein et de décharger son corps en touchant une partie métallique avant de manipuler le pistolet ;
- industrie : les poudres et les films plastiques qui défilent se chargent fortement et doivent être mis à la terre.
Un peu d’histoire
Le mot électricité vient du grec êlektron, l’ambre jaune, résine fossile qui, frottée, attire les brindilles — propriété dont la tradition attribue l’observation à Thalès de Milet. En 1600, le médecin anglais William Gilbert, dans De Magnete, forge le terme latin electricus. Au XVIIIe siècle, les machines électrostatiques à frottement et la bouteille de Leyde (1745), premier condensateur, permettent d’accumuler des charges et de produire de spectaculaires étincelles.
Questions fréquentes
Pourquoi le ballon frotté colle-t-il au mur ?
Le ballon chargé repousse ou attire les charges dans le mur (électrisation par influence) : la face du mur la plus proche se charge en sens opposé, et l’attraction qui en résulte suffit à retenir le ballon léger.
L’électricité statique est-elle dangereuse ?
Pour l’humain, les petites décharges du quotidien sont sans danger. Elle est en revanche dangereuse pour l’électronique et dans les atmosphères inflammables. La foudre, phénomène électrostatique de grande ampleur, est mortelle.
Pourquoi prend-on plus de décharges en hiver ?
L’air intérieur chauffé est très sec : les charges accumulées par frottement ne peuvent pas s’écouler progressivement par l’humidité ambiante.
Quelle est la différence entre électricité statique et courant électrique ?
L’électricité statique correspond à des charges accumulées et immobiles ; le courant électrique est un déplacement continu de charges dans un conducteur.