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Que ce soit en se coiffant le matin, en marchant sur son tapis en chaussettes ou en touchant la main de quelqu’un d’autre, l’électricité statique est omniprésente dans nos quotidiens. Ces petites décharges entraînant des picotements désagréables sont si fréquentes qu’elles nous sont désormais familières. Cependant, leur explication a posé un véritable problème aux physiciens pendant de nombreux siècles. Alors, comment est générée l’électricité statique ?

Le philosophe et mathématicien grec ancien Thales de Milet a été le premier à décrire l’électricité statique, au VIe siècle avant J.-C., mais les scientifiques ont buté pendant des décennies pour répondre à cette question fondamentale. Cependant, les chercheurs travaillant à l’échelle nanométrique ont fini par élucider une grande partie du mystère.

Les aspérités microscopiques des surfaces

Peu importe à quel point une surface peut être lisse, si vous zoomez suffisamment près, vous remarquerez des bosses et des creux. Les physiciens appellent ces imperfections des « aspérités ». Chaque surface, des ballons aux fibres comme la laine ou les cheveux, est recouverte d’aspérités microscopiques. Et ces caractéristiques sont responsables de la production d’électricité statique, explique Christopher Mizzi, physicien à la Northwestern University.

Dans une étude publiée dans la revue Physical Review Letters, Mizzi et ses co-auteurs ont comparé les imperfections invisibles des objets du quotidien à la surface de la Terre. Si vous regardez la Terre de loin, la planète semble très lisse, comme une sphère parfaite, indique Mizzi. Nous savons cependant qu’en réalité, la Terre est loin d’être lisse, mais vous devez la regarder de près pour voir cela. Ce n’est que lorsque vous zoomez suffisamment que vous remarquez qu’il y a des montagnes et des collines. De même, les objets familiers semblent lisses jusqu’à ce qu’ils soient vus de près.

L’électricité statique : une propriété des matériaux isolants

Lorsque les surfaces de deux objets se frottent l’une contre l’autre, leurs aspérités s’entrechoquent, créant une friction. Les physiciens savent depuis longtemps que la friction joue un rôle dans l’électricité statique. Mizzi et ses collègues ont montré comment les aspérités qui provoquent la friction engendrent également une différence dans la charge électrique.

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Une propriété étonnante de l’électricité statique est qu’elle est plus facile à produire en utilisant des matériaux limitant la circulation de l’électricité, appelés isolants ; il s’agit notamment du caoutchouc, de la laine et des cheveux. Dans l’électricité classique — la forme quotidienne d’électricité qui alimente les téléphones, les ampoules et presque tous les autres appareils électroniques —, les électrons créent des courants en traversant les atomes dans des matériaux conducteurs, comme le fil de cuivre.

asperite electricite

Schéma du contact des aspérités entre une sphère rigide et un corps élastique. Lors des mouvements entre bosse creux (indentation) et bosse (pull off), le corps élastique se déforme, développant un gradient de déformation opposé à la force appliquée. Crédits : C. A. Mizzi et al. 2019

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Mais les atomes des isolants ne laissent pas les électrons se déplacer librement ; ils limitent le flux électronique. Les auteurs ont découvert que l’électricité statique est produite lorsque les aspérités des isolants se frottent les unes contre les autres et interfèrent avec les nuages ​​d’électrons. Étant donné que les électrons dans les isolants ne peuvent pas se déplacer facilement, ce frottement peut déformer les nuages ​​d’électrons.

De la symétrie à l’asymétrie des nuages d’électrons

Dans ces matériaux, le nuage d’électrons autour des atomes est généralement symétrique. Mais si vous écrasez ce nuage d’électrons, il se déforme et devient asymétrique. Dans les bonnes circonstances, cette nouvelle forme peut distribuer la tension de manière inégale à travers le matériau.

Lorsque les deux matériaux se frottent l’un contre l’autre, les bosses sur une surface traînent le long des aspérités sur la surface opposée, les faisant se courber. Lorsque cette flexion se produit, les nuages ​​d’électrons dans les atomes qui composent les aspérités sont écrasés en formes asymétriques, provoquant une très, très petite différence de tension. Bien que faibles, ces changements de tension s’additionnent. Les aspérités sont si nombreuses que l’écrasement des nuages ​​d’électrons provoque une accumulation importante d’électricité statique.

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