Électricité statique: définition, fonctionnement, faits (avec exemples)

La charge électrique est partout autour de vous, mais vous ne la remarquez vraiment qu'en de rares occasions, comme lorsque vos cheveux se dressent après vous enlevez un chapeau ou lorsque vous obtenez un zap brusque lorsque vous tendez la main pour toucher quelque chose après avoir frotté vos pieds le long du tapis.

Ces deux phénomènes sont des exemples deélectricité statique, quelque chose que vous avez probablement appris quand vous étiez enfant. Mais comment la charge statique fait-elle dresser vos cheveux sur la tête et pourquoi peut-elle vous donner un choc statique ?

Que se passe-t-il réellement au niveau atomique qui produit ces expériences universelles? Apprendre les détails de l'électricité statique vous donne un aperçu beaucoup plus détaillé de cette propriété fascinante de la matière.

La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière. Il est séparé en charges positives et charges négatives, et bien que certaines particules soient électriquement neutres - comme le neutron - ceux-ci sont en fait composés d'éléments encore plus fondamentaux particules qui

Les deux particules chargées les plus importantes à connaître lorsque vous découvrez l'électricité statique sont deux des principaux composants d'un atome: les protons et les électrons.

Les protons sont chargés positivement, avec une charge de +e, tandis que les électrons sont chargés négativement à -e, oùe​ = 1.602 × 10⁻¹⁹ C. Le C signifie iciCoulombs, qui est l'unité SI pour la charge électrique. Le 10⁻¹⁹ vous dit que les particules chargées onttrès petitvaleurs de charge comparées à un coulomb - deux charges de seulement 1 C séparées d'un mètre généreraient une force plus grande que la poussée de lancement de la fusée Saturn V !

La règle fondamentale du fonctionnement de la charge électrique est que les charges opposées s'attirent et que les charges similaires se repoussent. Donc, si vous ameniez un électron près d'un autre électron, ils s'écarteraient, alors que si vous ameniez un électron près d'un proton, il serait attiré par lui.

Au niveau le plus élémentaire, l'électricité statique fait simplement référence à des charges qui ne bougent pas. Cependant, il y a bien plus que cela! L'élément clé de l'électricité statique est qu'elle se produit lorsqu'il y a un déséquilibre de charge, et ce déséquilibre crée essentiellementPotentiel électrique, ce qui signifie qu'il existe un potentiel de circulation du courant électrique (pour rééquilibrer la charge) en raison de la position des particules porteuses de charge.

Dans les atomes, et par extension la plupart des objets du quotidien, il y a un équilibre entre le positif et le négatif charges (c'est-à-dire entre les protons et les électrons), de sorte qu'ils sont électriquement neutres lorsqu'on les considère tous ensemble.

Donc, si vous rapprochiez un atome d'un autre, il n'y aurait aucune force électrique entre eux parce que tous des charges positives sont compensées par des charges négatives, il n'y a donc pas de charge nette pour générer un Obliger.

Bien que ce soit vraiment un peu plus compliqué que cela (parce que les électrons bougent toujours, donc ils ne bougent pastoujoursbloquer la charge positive des protons), cette situation neutre crée un contraste clair avec ce qui se passe lorsqu'il y a une accumulation de charge statique.

En substance, lorsqu'un objet (comme vos cheveux après avoir frotté un ballon dessus) gagne un excès ou un déficit de charge (donc plus ou moins d'électrons que dans son état ordinaire), alors il n'est plus neutre et peut générer ce que vous appelez statique électricité. En revanche, l'électricité ordinaire est unmouvement continude charge (sous forme d'électrons dans un courant électrique), tandis que l'électricité statique n'implique pas de mouvementjusqu'à ce queles charges se rééquilibrent - et vous donnent peut-être un coup sec dans le processus !

L'électricité statique dépend fondamentalement d'un déséquilibre entre les charges positives et les charges négatives, mais en réalité, seuls les électrons se déplacent pour créer ce déséquilibre.

Dans un atome, les protons sont étroitement liés dans le noyau (avec les neutrons), et les deux sont considérablement plus lourd que les électrons chargés négativement qui restent dans un "nuage" autour de l'extérieur du noyau.

Parce que ces particules plus légères sont à l'extérieur, lorsqu'un objet entre en contact avec un autre, c'est le électrons qui peuvent se transférer entre eux, et les frotter ensemble augmente le taux de charge accumuler. Ainsi, si un objet capte des électrons supplémentaires, il se charge négativement, tandis que s'il perd des électrons, il se charge positivement.

Les matériaux isolants retiennent bien la charge statique, alors qu'un bon conducteur ne conservera une charge statique que dans certaines situations. Un conducteur recevant des électrons supplémentaires ne détient pas de charge statique car les électrons peuvent circuler librement dans tout le matériau (ce qui est la définition d'un bon conducteur).

Ainsi, toute accumulation de charge se dissipe trop rapidement pour créer une électricité statique notable, et elle peut se transférer dans d'autres objets à moins qu'elle ne soit complètement isolée du reste de l'environnement. Étant donné que le courant ne peut pas circuler dans un isolant, l'accumulation d'électricité statique crée rapidement un déséquilibre de charge notable et génère ainsi de l'électricité statique.

Parce que les charges similaires se repoussent et que les charges opposées s'attirent, quand quelque chose a une charge statique, il adhère aux objets chargés de manière opposée, et il peut aussi parfoispolariseratomes dans un objet par ailleurs neutre et s'y accrocher aussi - comme un ballon se colle à un mur après que vous l'ayez frotté sur votre tête.

Si l'accumulation de charge est suffisamment importante et qu'une tension relativement élevée est atteinte entre les deux surfaces ou objets, la charge peut sauter d'un objet à l'autre. C'est pourquoi vous pouvez obtenir un zap du choc statique si vous frottez vos pieds sur le sol puis touchez une poignée de porte.

Il existe de nombreux exemples d'électricité statique que vous rencontrerez dans la vie de tous les jours, même si vous ne pensez pas nécessairement au rôle que joue la charge statique dans leur fonctionnement.

Un exemple particulièrement courant est l'électricité statique dans les vêtements, surtout après avoir utilisé le sèche-linge, qui maintient les conditions idéales pour l'électricité statique se développe, et implique également que les vêtements se frottent les uns contre les autres et captent potentiellement des électrons supplémentaires sur le chemin. Le choc statique des vêtements chargés de cette manière a tendance à être assez faible, mais vous le remarquez certainement quand vous en obtenez un !

Les photocopieurs sont un excellent exemple de la façon dont l'électricité statique peut être utilisée à bon escient. La lumière vive qui numérise le document crée une « ombre » électrique de l'image sur un photoconducteur (c'est-à-dire courroie sensible à la lumière), et lorsque la courroie tourne, elle capte des particules de toner chargées négativement en raison de l'électricité statique charger.

En dessous, une autre ceinture amène une feuille de papier, lui donnant une forte charge statique positive dans le processus. Lorsque les charges négatives du toner rencontrent les charges positives sur le papier, le toner imprime lui-même sur le morceau de papier, selon le même motif que l'ombre captée par le photoconducteur ceinture.

Un autre exemple devrait vous ramener à un cours de physique à l'école: le générateur Van de Graaff, et la démonstration classique où quelqu'un touchant la sphère a les cheveux dressés. Le générateur fonctionne sur la base du mouvement des charges électriques statiques, avec une courroie mobile sur toute la longueur de l'appareil et deux « peignes » métalliques pour contrôler la charge statique.

Un peigne chargé positivement en bas (connecté à une alimentation électrique) tire des électrons de la ceinture, la laissant avec une charge positive nette, et cette charge est captée par un peigne au sommet, qui l'étend au grand dôme au Haut. Si vous touchez le dôme pendant le processus de charge, des mèches individuelles de vos cheveux ramassent les charges correspondantes et se repoussent, ce qui les fait tenir debout !

Les éclairs sont une démonstration très spectaculaire de la puissance de l'électricité statique, et Benjamin Franklin l'a prouvé dans l'une des démonstrations scientifiques les plus connues de tous les temps en attachant une clé à une corde de cerf-volant mouillée pendant un orage.

Bien que ce soit un mythe que le cerf-volant ait été frappé par un éclair (cela aurait probablement tué Franklin), le champ électrique du la tempête a été captée par la ficelle, qui - tout comme la démonstration classique du générateur Van de Graaff - a fait tenir les brins de la ficelle sur finir. Enfin, Franklin a touché la clé et a ressenti le zap d'un choc statique, démontrant clairement le lien entre l'électricité et la foudre.

Bien sûr, les scientifiques ont fourni beaucoup plus de détails sur le processus depuis l'époque de Benjamin Franklin. Tout comme les vêtements frottent les uns contre les autres dans la sécheuse ou un ballon frottant contre vos cheveux, la charge statique qui crée la foudre vient de la friction et des cristaux de glace dans l'air froid rencontrant des gouttelettes d'eau d'un air chaud Masse.

La charge s'accumule à différents endroits dans le cloud, et lorsqu'il y a une différence suffisamment élevée dans potentiel électrique entre ces endroits (c'est-à-dire une tension suffisamment élevée), il est libéré sous la forme d'un éclair. Cela se produit généralementdansnuages ​​ou entre deux nuages, mais parfois le boulon heurtera le sol.

L'accumulation de charge statique causée par le frottement et le frottement est techniquement appelée la effet triboélectrique, et sur la base de cet article, vous connaissez déjà les détails de ce qui cause cela et Comment ça fonctionne. Les objets entrant en contact les uns avec les autres amènent l'un d'eux à capter des électrons supplémentaires (tous porteur de charges négatives) et l'autre développant un déficit d'électrons et donc un net positif charger.

Cependant, le degré auquel différents matériaux ramassent une charge négative ou perdent des électrons et gagnent une charge positive varie en fonction des caractéristiques du matériau. Alors que les isolateurs sont généralement meilleurs pour capter la charge statique, différents isolateurs la captent à des vitesses différentes.

Par exemple, la plupart des types de caoutchouc, et en particulier le téflon, captent très facilement les électrons et sont donc parfaits pour les démonstrations et les pièces de technologie dépendantes de l'électricité statique. Les matériaux diffèrent en fonction de leur « électronégativité », ce qui signifie essentiellement leur affinité électronique ou leur tendance à les capter d'autres objets.

La série triboélectrique met en ordre différents matériaux en fonction de leur capacité à capter une charge statique positive ou négative. Les éléments placés vers le haut de la série triboélectrique sont susceptibles de prendre une charge positive, tandis que ceux du bas sont plus susceptibles de gagner des électrons et de prendre une charge négative en tant que résultat. Plus la séparation entre deux éléments de la série triboélectrique est grande, plus leur frottement créera une charge statique dans les deux.

Alors que la plupart des démonstrations d'électricité statique sont des démonstrations amusantes ou des curiosités mineures que vous rencontre dans la vie de tous les jours, il est important de se rappeler qu'une charge statique indésirable peut avoir de graves conséquences.

Par exemple, une seule étincelle d'électricité statique peut enflammer des liquides ou des gaz inflammables et potentiellement provoquer une explosion. L'accumulation d'électricité statique résultant du glissement sur votre siège d'auto pourrait même potentiellement causer un problème lorsqu'il vient de faire le plein d'essence, et vous devriez donc toujours toucher la partie métallique de la voiture avant de faire le plein en haut.

Bien sûr,les plusde temps en temps, l'électricité statique n'est vraiment qu'un phénomène intéressant, mais comprendre comment cela fonctionne peut vous aider à éviter une catastrophe dans certaines situations.