Si vous marchez sur un tapis dans des chaussettes en laine, il y a de fortes chances que la prochaine poignée de porte que vous touchez 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 ancien Thales de Milet a été le premier à décrire l'électricité statique, au VIe siècle avant J.C., mais les scientifiques ont lutté pendant des décennies pour répondre à cette question fondamentale. Cependant, les chercheurs travaillant à l'échelle nanométrique viennent de faire un énorme pas en avant dans la quête pour comprendre pourquoi frotter deux surfaces ensemble peut conduire à un choc.
Peu importe à quel point une surface peut être lisse, lorsque 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 recouverte d'aspérités microscopiques. Et ces caractéristiques sont responsables de la production d'électricité statique, a déclaré Christopher Mizzi, un doctorant en science et génie des matériaux à la Northwestern University à Evanston, Illinois.
Dans une étude publiée en septembre 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", a déclaré 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 loin que vous remarquez qu'il y a des montagnes et des collines", dit-il. De même, les objets familiers semblent lisses jusqu'à ce qu'ils soient vus de près.
Lorsque les surfaces de deux objets se frottent l'une contre l'autre, leurs aspérités se raclent, créant une friction. Les scientifiques savent depuis longtemps que la friction joue un rôle dans l'électricité statique. (En fait, le terme scientifique pour l'électricité statique, triboélectricité, partage une racine avec la tribologie, qui est l'étude de la friction.)
Dans la nouvelle étude, Mizzi et ses co-auteurs ont montré comment les aspérités qui provoquent la friction provoquent également une différence choquante dans la charge électrique.
L'électricité statique est quelque chose d'inhabituel, car il est plus facile à produire en utilisant des matériaux limitant l'électricité appelés isolateurs; il s'agit notamment du caoutchouc, de la laine et des cheveux. Dans l'électricité actuelle - la forme quotidienne d'électricité qui alimente les téléphones, les lumières 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. Mais les atomes des isolateurs 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 isolateurs se frottent les unes contre les autres et interfèrent avec les nuages d'électrons. Étant donné que les électrons dans les isolateurs 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 dire de haut en bas, de gauche à droite", a déclaré Mizzi.
Mais si vous serrez 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, a expliqué Mizzi.
Qu'est-ce que cela a à voir avec les chaussettes en laine sur le tapis? Lorsque vous marchez dans 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 l'un contre l'autre comme ceci, les bosses sur une surface traînent le long des aspérités sur la surface opposée, les faisant se plier. 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 - une puissance 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 qui produisent de l'énergie générée par friction pour charger des 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 pour 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.
"Lorsque vous avez un modèle, vous pouvez commencer à faire des prédictions", a déclaré Mizzi.
