Si vous marchez sur un tapis en chaussettes de laine, il y a de fortes chances que la prochaine poignée de porte que vous toucherez vous surprenne avec une étincelle. L’électricité statique est si courante qu’il est facile d’oublier à quel point elle est bizarre.
Mais que se passe-t-il réellement lorsque vous rencontrez ces étincelles ?
Le philosophe et mathématicien grec antique Thalès de Milet a été le premier à décrire l’électricité statique, au sixième siècle avant Jésus-Christ, mais les scientifiques ont lutté pendant des décennies pour répondre à cette question fondamentale. Cependant, des chercheurs travaillant à l’échelle nanométrique viennent de faire un énorme pas en avant dans la quête pour comprendre pourquoi le frottement de deux surfaces l’une contre l’autre peut entraîner un choc.
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Peu importe l’aspect lisse d’une surface, si vous zoomez suffisamment près, vous remarquerez des bosses et des creux. Les scientifiques appellent ces imperfections des « aspérités ». Chaque surface, des ballons aux fibres comme la laine ou les cheveux, est couverte d’aspérités microscopiques. Et ces caractéristiques sont responsables de la production d’électricité statique, a déclaré Christopher Mizzi, candidat au doctorat en science et ingénierie des matériaux à l’Université Northwestern d’Evanston, dans l’Illinois.
Dans une étude publiée en septembre dans la revue Physical Review Letters, Mizzi et ses coauteurs 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 », a déclaré Mizzi. Nous savons cependant qu’en réalité, la Terre est loin d’être lisse, mais il faut l’observer de près pour s’en rendre compte. Ce n’est que lorsque « vous zoomez assez loin que vous remarquez qu’il y a des montagnes et des collines », a-t-il ajouté. De même, les objets familiers semblent lisses jusqu’à ce qu’on les regarde de près.
Lorsque les surfaces de deux objets se frottent l’une contre l’autre, leurs aspérités s’effleurent, créant un frottement. Les scientifiques savent depuis longtemps que la friction joue un rôle dans l’électricité statique. (En fait, le terme scientifique de l’électricité statique, triboélectricité, partage une racine avec la tribologie, qui est l’étude de la friction.)
Dans la nouvelle étude, Mizzi et ses coauteurs ont montré comment les aspérités qui causent la friction provoquent également une différence choquante de charge électrique.
Ce qui est inhabituel avec l’électricité statique, c’est qu’il est plus facile de la produire en utilisant des matériaux qui restreignent l’électricité, connus sous le nom d’isolants ; ceux-ci comprennent le caoutchouc, la laine et les cheveux. Dans l’électricité courante – la forme d’électricité de tous les jours qui alimente les téléphones, les lumières et presque tous les autres appareils électroniques – les électrons créent des courants en circulant sur les atomes des matériaux conducteurs, comme le fil de cuivre. Mais les atomes des isolants ne laissent pas les électrons aller et venir facilement ; ils gagnent leur nom en inhibant le flux d’électrons.
Mizzi et ses collègues 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. Comme les électrons des isolants ne peuvent pas se déplacer facilement, ce frottement peut déformer les nuages d’électrons.
Dans ces matériaux, le nuage d’électrons autour des atomes est généralement symétrique. Lorsque vous regardez ces nuages, vous « ne pouvez pas distinguer le haut du bas, la gauche de la droite », a déclaré Mizzi.
Mais si vous pressez ce nuage d’électrons, il se déforme, devenant asymétrique. Dans les bonnes circonstances, cette nouvelle forme peut distribuer la tension de manière inégale à travers le matériau, a expliqué Mizzi.
Qu’est-ce que cela a à voir avec les chaussettes en laine sur la moquette ? Lorsque vous marchez avec de telles chaussures, la combinaison du poids de votre corps et de votre mouvement de foulée fait glisser les fibres de vos chaussettes contre les fibres du tapis. Lorsque les deux matériaux se frottent ainsi l’un contre l’autre, les bosses d’une surface entraînent les aspérités de la surface opposée, ce qui les fait plier. Lorsque cette courbure se produit, les nuages d’électrons des atomes qui composent les aspérités sont écrasés dans des formes asymétriques, ce qui provoque une très, très petite différence de tension.
Bien que petites, ces variations de tension s’additionnent. Les aspérités sont si nombreuses que l’écrasement des nuages d’électrons provoque une accumulation importante d’électricité statique – une électricité suffisamment puissante pour que vous la ressentiez lorsque vous touchez une poignée de porte ou serrez la main de quelqu’un.
Cette nouvelle compréhension de l’électricité statique pourrait influencer les scientifiques qui développent des tissus produisant de l’énergie générée par la friction pour charger les appareils portables, ce qui pourrait rendre les produits plus efficaces. Et avec une meilleure compréhension des matériaux qui ne parviennent pas à créer facilement de l’électricité statique, les ingénieurs peuvent travailler à créer des environnements de fabrication plus sûrs, par exemple en éliminant les particules de poussière qui peuvent déclencher des incendies en se frottant les unes contre les autres.
« Quand vous avez un modèle, vous pouvez commencer à faire des prédictions », a déclaré Mizzi.
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Originally published on Live Science.
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