L`Électrostatique.

Quelques expériences d'électrostatique
inspirées par Norberto Ferreira.
L'Électrostatique.
Introduction.
Qui en sortant de voiture n'a pas « pris l'électricité » ?
Qui n'a pas constaté à quel point l'écran d'un poste de télévision est un piège à poussière ?
Qui n'a pas vu un jour ses cheveux se dresser à l'approche d'un peigne ?
Qui n'a jamais entendu crépiter en enlevant son pull-over ?
Toutes ces expériences quotidiennes ont ceci en commun : il s'agit de phénomènes
électrostatiques. En apparence banales, ces expériences ne peut s'interpréter qu'en s'intéressant
à la structure intime de la matière...
La matière et ses charges.
La matière est un édifice complexe constitué
d’atomes, de molécules et d’ions. Dans l’atome, luimême, on trouve des particules plus « élémentaires »
dont certaines peuvent interagir à distance. On dit
qu’elles sont porteuses de charges électriques. Parmi
ces particules, citons l'électron chargé négativement.
Ci-contre, 48 atomes de fer posés sur une plaque de
cuivre ; l'image est fabriquée par ordinateur d'après
les données recueillies par un microscope
électronique.
Source : site internet d'IBM.
Deux particules électrisées en présence s’attirent ou se repoussent :
Une charge négative repousse une autre charge négative.
Une charge positive repousse une autre charge positive.
Une charge négative et une charge positive s'attirent.
Isolants et conducteurs.
L'isolant ne laisse pas passer le courant électrique, et donc, les charges ne peuvent pas se
déplacer.
Le conducteur permet aux charges de se déplacer.
Cette coupure isolants/conducteurs n’est pas absolue: la conductivité est la grandeur physique
susceptible des plus fortes variations. Par ailleurs, un isolant peut devenir conducteur pourvu
qu’on dépense suffisamment d’énergie pour arracher des électrons: une différence de 30 000
volts entre deux électrodes séparées d’un centimètre dans l’air sec produit une étincelle: l’air
est devenu conducteur…
L'électrisation de la matière.
Électrisation par frottement.
C’est la façon la plus simple de procéder. On peut arracher ou fournir des électrons
à certains matériaux isolants par simple frottement mécanique.
C’est ce qui se passe avec la fameuse peau de chat et le bâton d’ambre ou
d’ébonite du folklore électrostatique. Mais c’est aussi vrai avec du papier, de la laine, des tissus
synthétiques frottés avec une règle en plastique ou une paille à boire…On a des isolants chargés
négativement (ou positivement) selon qu’on leur a apporté (ou enlevé) des électrons.
Électrisation par contact.
Un conducteur mis au contact des charges d’un isolant chargé (positivement ou négativement)
en prend une partie: il est alors chargé avec le même signe.
Il est intéressant de noter ici que les charges ont tendance à s'accumuler dans les pointes (d'où la
forme des paratonnerres).
Électrisation par influence.
La paille (A) chargée
négativement va attirer vers elle les
charges
positives
du
corps
conducteur (B) et en repousser les
charges négatives. (figure 1)
Nous évacuons maintenant les charges négatives en
posant un doigt
: elles vont
rejoindre la Terre par notre corps
conducteur. (figure 2a)
On retire le doigt,
il ne reste alors que des charges
positives. (figure 2b)
On éloigne alors la
paille.
Les
charges
se
répartissent sur toute la surface
du conducteur (B).
Finalement, l'objet
porte une charge positive.
(figure 2c)
D'après Norberto Ferreira
Cette technique de charge est plus efficace que la charge par contact, d'où son
utilisation par exemple dans l'expérience de l'étincelle avec le condensateur. Elle permet en plus
d'obtenir un objet chargé de signe opposé à celui de la paille.
Quand il y a de l'électricité dans l'air :
L'orage.
Charge du nuage.
Les éclairs se produisent
dans des nuages appelés les
cumulonimbus. Ces nuages (voir la
photo ci-contre) sont de grandes
dimensions : la base se trouve à
quelques centaines de mètres du sol,
et leur sommet peut atteindre jusqu'à
11 km !
Source : fr.wikipedia.org (Cevenol2)
Les cumulonimbus sont le sièges de vents ascendants violents. Les chocs entre les
cristaux de glace et le grésil (cristaux plus gros) les chargent (à l'image de l'électrisation par
frottement). Suivant la température, le grésil portera une charge positive ou négative. De plus,
la gravité (la force qui permet aux pommes de tomber des arbres) joue son rôle... Les cristaux,
plus petits sont plus freinés par l'air, et descendent moins vite que le grésil.
Il se forme donc dans le nuage des couches de charges de signe contraires... Enfin,
le sol va se charger selon le principe de la charge par influence. Nous obtenons donc trois
couches chargées, avec au centre une couche de signe contraire à celui des deux extrémités.
D'autres phénomènes tels que la convection, les rayons cosmiques, viennent
s'ajouter pour créer ces différentes zones chargées.
Décharge.
La décharge peut avoir lieu à l'intérieur même du
nuage, entre deux nuages, ou entre le sol et le nuage. Ci-contre, la
ville d'Oradéa en Roumanie pendant un orage.
Lorsque l'accumulation de charges est trop
importante, l'air jusqu'alors isolant devient conducteur (voir
paragraphe Isolants et conducteurs). Un petit nombre de charges
se déplacent alors... Il s'agit du traceur (environ 200 km par
seconde).
Sur le passage de ce petit nombre de charges, l'air se
modifie (il s'ionise) et devient bien plus conducteur. Le nombre
de charges pouvant passer devient alors bien plus grand. Le reste
des charges utilise le canal ionisé créé par le passage du traceur.
La vitesse peut alors atteindre 100 000 km par seconde !
Éclair et tonnerre.
Source : en.wikipedia.org (Raven4x4x)
La lumière est due à l'ionisation de l'air. Elle voyage très vite jusqu'à l'observateur.
Le son, lui, ne se déplace qu'à 330 mètres par seconde. Il est dû au fait que le long
du canal ionisé, la température peut monter jusqu'à 30 000 °C, ce qui provoque une brusque
détente de l'air.
Pour connaître la distance entre le point d'impact et vous, il faut compter le temps
en secondes que le son a mis pour vous parvenir, puis le diviser par 3 (car il faut 3 secondes au
son pour parcourir 1 km). Vous obtenez alors la distance en km.
Des applications dans la vie courante.
Le condensateur.
Cet élément d'électronique est partout autour de nous.
Par exemple, sur cette photo
d'ordinateur,
les
cylindres
verticaux noirs que vous pouvez
voir sont des condensateurs. Le
principe de ce composant est
simple : il accumule les charges...
Source : en.wikipedia.org (Darkone)
L'allume gaz.
Il s'agit d'une déformation d'un cristal qui va créer un déplacement de charges. La
tension à ses bornes devient alors très grande, et la décharge se produit par le même principe
qu'un éclair. Il est intéressant de voir que ce principe est réversible : une tension appliquée sur le
cristal va le déformer, et il devient possible de l'utiliser comme résonateur dans les montres à
quartz ...
La peinture électrostatique.
Lorsque l'on peint au pistolet, une partie des gouttelettes de peinture restent en
suspension dans l'atmosphère... Pour éviter cette perte, on charge, par exemple positivement
l'objet à peindre (voiture) et négativement les gouttelettes de peinture. Elles iront donc
directement se déposer sur la voiture car deux charges opposées s'attirent.
Le photocopieur.
Le principe du photocopieur repose sur les propriétés d'un semi-conducteur : le
sélénium. En effet, ce dernier est conducteur s'il est éclairé, isolant s'il est dans l'obscurité.
Voici le fonctionnement :
1. Le tambour est chargé.
2. La lumière rend le semiconducteur conducteur, les
charges se neutralisent là où
le tambour a été éclairé. Il
reste isolant dans les zones
sombres.
3. Le toner chargé positivement
va se fixer sur le tambour au
niveau des zones positives
(comme pour la peinture
électrostatique).
4. Enfin, le papier chargé négativement va attirer le toner,
qui sera définitivement fixé
par cuisson.
Illustration d'après de.wikipedia.org