Électricité statique : ce que c’est, pourquoi on prend des décharges et la loi de Coulomb
L’électricité statique est un déséquilibre de charge électrique qui s’accumule à la surface d’un objet, le plus souvent quand deux matériaux frottent l’un contre l’autre et que des électrons passent de l’un à l’autre. Les charges de même signe se repoussent et celles de signes contraires s’attirent, avec une force F = k·q₁·q₂ / r². Un ballon portant 10 nC de charge en plus a gagné environ 6,2 × 10¹⁰ électrons. La charge reste en place sur les isolants et s’écoule par les conducteurs et l’air humide.
L’électricité statique, c’est le crépitement d’un pull, la décharge d’une poignée de porte et les cheveux qui se dressent vers un ballon. C’est de la charge électrique ordinaire qui n’a nulle part où aller. Ce guide explique d’où vient la charge, résout les nombres avec la loi de Coulomb, montre pourquoi les décharges viennent avec l’air sec de l’hiver et quelle est la taille réelle d’une étincelle, et dit comment les éviter. À la fin, un chapitre de manuel animé vous laisse régler vous-même les charges et la distance.
Idées essentielles
- Le frottement déplace des électrons, pas des protons : l’objet qui gagne des électrons devient négatif et celui qui en perd devient positif. Un électron porte 1,602 × 10⁻¹⁹ C.
- Loi de Coulomb : F = k·q₁·q₂ / r², avec k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C². Deux charges de 1 µC distantes de 0,10 m se repoussent ou s’attirent avec environ 0,90 N, et à distance double il ne reste que le quart de la force.
- Une étincelle dans l’air demande environ 3 × 10⁶ V/m, donc un intervalle de 1 mm exige près de 3 000 V. L’énergie d’une telle étincelle n’est que d’un demi-millijoule : elle surprend, mais ne blesse pas.
- L’air sec, les tissus synthétiques et les semelles isolantes laissent la charge s’accumuler ; l’air humide, le métal et les fibres naturelles la laissent s’écouler.
D’où vient l’électricité statique
Le mot grec pour l’ambre est elektron, et des auteurs anciens attribuent à Thalès de Milet, vers 600 avant notre ère, d’avoir remarqué que l’ambre frotté attire des plumes. Aujourd’hui, on sait pourquoi. Les atomes contiennent des protons positifs, solidement enfermés dans le noyau, et des électrons négatifs, qu’on peut arracher. En frottant deux matériaux l’un contre l’autre, on fait passer des électrons de l’un à l’autre : l’un devient légèrement négatif, l’autre légèrement positif. La charge se mesure en coulombs, et un électron porte 1,602 × 10⁻¹⁹ C. Un ballon portant 10 nC (10⁻⁸ C) de charge en plus a gagné environ 10⁻⁸ / 1,602 × 10⁻¹⁹ ≈ 6,2 × 10¹⁰ électrons, un nombre énorme qui reste pourtant une infime fraction des électrons du caoutchouc.
Quel matériau prend les électrons dépend du couple. Le caoutchouc les prend en général aux cheveux, si bien que le ballon devient négatif et les cheveux positifs, et les charges ne sont jamais créées, seulement déplacées : le total ne change pas. Les listes appelées séries triboélectriques classent les matériaux selon la facilité avec laquelle ils gagnent des électrons, mais ce n’est qu’un guide approximatif, et la physique détaillée de l’électrisation par contact fait encore l’objet de recherches.
Pousser et attirer : la loi de Coulomb chiffrée
Les charges de même signe se repoussent et celles de signes contraires s’attirent. En 1785, Charles-Augustin de Coulomb a mesuré la force avec une délicate balance de torsion et trouvé F = k·q₁·q₂ / r². F est la force en newtons, q₁ et q₂ sont les charges en coulombs, r est la distance qui les sépare en mètres et k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C². Comme r est au carré, une distance double donne le quart de la force. Pour deux charges de 1 µC (10⁻⁶ C) distantes de 0,10 m, F = 8,99 × 10⁹ × 10⁻⁶ × 10⁻⁶ / 0,10² = 8,99 × 10⁻³ / 0,01 ≈ 0,90 N, presque le poids d’une pomme de 90 g. À 0,20 m la force tombe à environ 0,22 N.
Un ballon chargé colle aussi à un mur neutre. Sa charge déplace légèrement les charges à l’intérieur du mur : celles de signe opposé se rapprochent un peu et celles de même signe s’éloignent, de sorte que l’attraction du côté proche l’emporte. Le mur reste neutre dans l’ensemble, et pourtant le ballon est attiré. Le même effet soulève de petits morceaux de papier et courbe un mince filet d’eau du robinet vers un ballon chargé.
On peut sentir tout cela sur la table de la cuisine avec un simple ballon. Frottez-le sur des cheveux secs ou un pull en laine, approchez-le à quelques centimètres de petits bouts de papier, puis d’un mince filet d’eau du robinet. Limitez-vous aux ballons et aux piles : n’utilisez jamais une prise du secteur ni un appareil à haute tension pour ces essais.
Pourquoi on prend des décharges, et la taille réelle d’une étincelle
Marcher sur une moquette avec des chaussures synthétiques dépose de la charge sur votre corps. Les semelles isolantes et l’air sec la retiennent, et votre potentiel peut monter à plusieurs milliers de volts. Touchez une poignée métallique et la charge saute les derniers millimètres sous forme d’étincelle. L’air claque vers 3 × 10⁶ V/m, donc un intervalle de 1 mm demande 3 × 10⁶ × 0,001 = 3 000 V et un intervalle de 1 cm environ 30 000 V. On commence en général à sentir une étincelle vers 3 000 V.
Le picotement est sans commune mesure avec l’énergie. Un corps stocke environ 100 pF, si bien que l’énergie libérée à 3 000 V vaut E = ½·C·U² = ½ × 100 × 10⁻¹² × 3 000² = 4,5 × 10⁻⁴ J, soit environ 0,45 mJ. C’est des millions de fois moins que ce que contient une pile AA, et c’est pourquoi une telle décharge surprend mais ne blesse pas. Les étincelles comptent près des vapeurs de carburant, des poussières inflammables et de l’électronique fragile, où une minuscule décharge peut enflammer un mélange ou détruire une puce ; c’est pourquoi les ateliers utilisent des bracelets reliés à la terre et les stations-service affichent des avertissements.
Pour réduire les décharges, augmentez l’humidité, car un mince film d’eau sur les surfaces laisse la charge s’écouler. Portez des fibres naturelles et des semelles en cuir, et touchez un objet métallique avant de toucher une personne ou un appareil. Si vous touchez la poignée de la porte avec une clé, l’étincelle part du métal et vous la sentez à peine.
Conducteurs, isolants et foudre
Dans un fil de cuivre, chaque atome lâche un électron externe qui circule librement, donc la charge s’écoule facilement. Dans le verre, le caoutchouc et le plastique sec, les électrons restent liés à leurs atomes, et la charge reste là où on l’a mise. La résistivité du cuivre est d’environ 1,7 × 10⁻⁸ Ω·m, alors que celle du verre est d’au moins 10¹⁰ Ω·m, soit plus de 10¹⁷ fois plus. C’est pourquoi une boule de métal répartit sa charge sur toute sa surface en un éclair alors qu’une tige de verre la garde sur une seule zone, et pourquoi un câble est du métal enveloppé de plastique.
Un générateur de Van de Graaff pousse l’idée à l’extrême. Une courroie de caoutchouc en mouvement monte la charge dans un dôme métallique creux, et les grosses machines atteignent des millions de volts. Une personne debout sur un tabouret isolant, la main sur le dôme, se charge, chaque cheveu porte le même signe, et les mèches se repoussent et s’écartent. La charge est minuscule, donc la décharge est faible, mais une telle machine ne doit servir que dans un cours surveillé. La foudre est de l’électricité statique à grande échelle, avec des courants de dizaines de milliers d’ampères. N’expérimentez jamais avec elle. Quand on entend le tonnerre, restez à l’intérieur d’un bâtiment, et considérez le cerf-volant de Franklin comme de l’histoire, pas comme une expérience.
La charge statique dans le VJOURNAL SMART BOOK
Le chapitre « Électricité statique et charge » du manuel de physique VJOURNAL SMART BOOK (tome II) sur VITON13 SCHOOL s’ouvre sur un morceau d’ambre et un chiffon de laine. Une scène 3D vivante accompagne chaque paragraphe : deux ballons chargés qui s’écartent ou se rapprochent, des flèches qui s’écartent pour des charges semblables et se rapprochent pour des charges contraires, des nuages au-dessus d’une petite maison dotée d’un paratonnerre, une charge qui se répartit sur une boule de métal mais pas sur le verre, et un générateur de Van de Graaff qui dresse les cheveux. Sous l’image, un bac à sable permet de régler les deux charges et la distance et de lire la force.
Servez-vous-en pour vérifier ce guide : deux charges de 1 µC à 0,10 m doivent indiquer environ 0,90 N, et à 0,20 m environ 0,22 N. Tout se passe sur la page, sans secteur et sans orage.
En mots simples
Imaginez l’électricité statique comme de minuscules charges qui n’ont nulle part où aller. Frottez un ballon sur vos cheveux et quelques électrons sautent des cheveux au ballon. Maintenant le ballon a des électrons en trop et les cheveux en manquent, et les charges opposées s’attirent : c’est pourquoi vos cheveux se dressent vers le ballon.
À vous de jouer
Dans le bac à sable du chapitre sur la charge statique, réglez deux charges de 1 µC et une distance de 0,10 m et notez la force. Passez ensuite la distance à 0,20 m et comparez.
Résultat attendu
Environ 0,90 N à 0,10 m, puis environ 0,22 N à 0,20 m : distance double, force divisée par quatre.
Vérifiez votre réponse: Deux charges positives de 2 µC et 3 µC sont distantes de 0,30 m. Quelle est la force entre elles, et se repoussent-elles ou s’attirent-elles ?
F = 8,99 × 10⁹ × 2 × 10⁻⁶ × 3 × 10⁻⁶ / 0,30² = 0,0539 / 0,09 ≈ 0,60 N. Les charges ont le même signe, donc elles se repoussent.
Questions et réponses
Qu’est-ce qui cause l’électricité statique ?
Le contact et le frottement entre deux matériaux déplacent des électrons de l’un vers l’autre. Un objet se retrouve avec des électrons en trop et une charge négative, l’autre avec un manque et une charge positive. Sur les isolants, le déséquilibre reste en place.
Pourquoi prend-on plus de décharges en hiver ?
L’air froid de l’hiver, et celui des pièces chauffées, contient peu d’humidité. Avec moins d’eau sur les surfaces, la charge ne s’écoule pas et s’accumule sur vous jusqu’à ce qu’une étincelle saute vers un objet métallique.
Pourquoi un ballon colle-t-il au mur après avoir été frotté sur les cheveux ?
Le ballon porte une charge négative, qui déplace les charges du mur neutre de sorte que le côté positif fait face au ballon. Les charges opposées plus proches attirent plus fort que les charges semblables plus éloignées ne repoussent, donc le ballon est attiré.
L’électricité statique est-elle dangereuse ?
Les décharges ordinaires sont inoffensives pour les personnes : environ 0,5 mJ à 3 000 V. Le danger se trouve là où une étincelle peut enflammer des vapeurs d’essence, des poussières inflammables ou des gaz, ou abîmer des composants électroniques. La foudre est de l’électricité statique à grande échelle et elle est mortelle.
Comment se débarrasser de l’électricité statique ?
Donnez à la charge un chemin pour s’écouler : augmentez l’humidité, portez des fibres naturelles, touchez un objet métallique ou mettez un bracelet relié à la terre pour travailler sur de l’électronique. Les assouplissants et les sprays antistatiques rendent la surface un peu conductrice.
Quelle différence entre l’électricité statique et le courant électrique ?
Avec l’électricité statique, la charge reste au même endroit. Avec le courant électrique, la charge circule dans un circuit fermé. C’est la même sorte de charge : une étincelle est un bref courant qui décharge l’accumulation statique.
Frottez un ballon, regardez le papier sauter, puis vérifiez les nombres : deux charges de 1 µC distantes de 0,10 m donnent 0,90 N. Ouvrez le chapitre sur la charge statique et essayez d’autres distances dans le bac à sable.
Sources et lectures
- OpenStax College Physics 2e: Static electricity and charge, conservation of charge ↗Sources consultées:
- OpenStax University Physics Volume 2: Coulomb’s law ↗Sources consultées:
- HyperPhysics: Electric force ↗Sources consultées:
- HyperPhysics: Van de Graaff generator ↗Sources consultées: