Après des milliers d’années, nous savons enfin comment fonctionne l’électricité statique

Le phénomène de l’électricité statique intrigue les scientifiques depuis des milliers d’années. Déjà, à l’époque d’Aristote, on connaissait cette forme d’énergie mystérieuse. Aristote rapportait que Thalès de Milet, un philosophe grec qui a vécu entre 640 et 546 avant notre ère, avait observé que l’ambre, après avoir été frotté avec un chiffon, pouvait attirer des morceaux d’herbe séchée. C’était là l’une des premières manifestations connues de l’électricité statique. Cependant, pendant des siècles, aucune réelle avancée n’a été réalisée pour expliquer le fonctionnement de ce phénomène. Ce n’est qu’au XVIIIe siècle, avec les travaux de Benjamin Franklin, que les premières hypothèses sérieuses ont vu le jour.

Une avancée grâce à la modélisation moderne

Benjamin Franklin a joué un rôle central dans l’étude de l’électricité statique. En frottant des matériaux comme la cire et la laine, il a découvert qu’elles se chargeaient de manière différente. Il a ainsi introduit les notions de charge positive et de charge négative. Franklin avait observé que la laine frottée accumulait une charge qu’il a qualifiée de positive, tandis que la cire devenait négative. Toutefois, sa compréhension du phénomène reposait sur une théorie des fluides électriques, un modèle qui, bien que novateur pour son époque, ne correspondait pas à la réalité du mécanisme sous-jacent à l’électricité statique.

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Ce n’est que très récemment, grâce aux travaux d’une équipe de scientifiques dirigée par Laurence Marks de l’université Northwestern, que la science a réellement compris le mécanisme derrière l’électricité statique, et notamment pourquoi le frottement génère une quantité plus importante de charge que d’autres types de contact, comme le simple roulement. Cette percée a été rendue possible grâce à une modélisation à l’échelle nanométrique des charges statiques, permettant de mieux comprendre leur comportement.

« Pour la première fois, nous pouvons expliquer un mystère que personne n’avait résolu auparavant : pourquoi le frottement est-il si important ? », a déclaré Laurence Marks dans un communiqué. « Les chercheurs avaient essayé de comprendre, mais leurs explications reposaient souvent sur des hypothèses non vérifiées ou infondées. Nous avons désormais une réponse, et elle est étonnamment simple. Des déformations distinctes à l’avant et à l’arrière d’un objet en mouvement provoquent un déplacement de charges, ce qui génère un courant. »

Le rôle du cisaillement élastique

Le modèle développé par l’équipe de Marks repose sur le concept de « cisaillement élastique », qui désigne la résistance d’un matériau à une force de glissement. Par exemple, on peut faire glisser une assiette sur une table. Dès que l’on cesse de pousser, l’assiette s’arrête rapidement car la surface de la table exerce une résistance. C’est précisément cette résistance au glissement qui provoque le déplacement des charges électriques et génère de l’électricité statique.

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L’équipe a décrit son modèle de manière plus technique dans son article publié dans la revue Nano Letters : « Les courants triboélectriques pendant le glissement sont le résultat des forces tangentielles qui rompent la symétrie de contact. Les charges liées, dues à des phénomènes comme la flexoélectricité et les déplacements internes de potentiel, se répartissent de manière asymétrique et sont compensées par des charges libres qui se déplacent en réponse au transfert de charge. Ce mouvement de glissement, combiné à ces charges, conduit à l’apparition d’un courant. »

Des implications pratiques et inattendues

Ce modèle de l’électricité statique est applicable à de nombreux matériaux différents. Les chercheurs expliquent que « la physique fondamentale des charges électromécaniques liées, qui conduit à la triboélectricité, s’applique généralement, qu’elle soit générée par la flexoélectricité, la piézoélectricité ou d’autres déformations structurelles ». En d’autres termes, que l’on parle de différents types de matériaux ou de forces en jeu, le même mécanisme fondamental semble être à l’œuvre.

Si l’électricité statique est souvent associée à des phénomènes familiers, comme l’étincelle après avoir marché sur un tapis, ses effets peuvent être beaucoup plus graves dans d’autres contextes. Par exemple, elle peut provoquer des incendies dans les usines ou interférer avec la fabrication de médicaments en poudre. Une meilleure compréhension de ce phénomène pourrait donc contribuer à réduire ces risques.

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Cependant, l’électricité statique pourrait aussi avoir des utilisations nouvelles et innovantes. Selon Marks, « l’électricité statique a des effets à la fois simples et profonds sur la vie quotidienne. Par exemple, la façon dont les grains de café sont moulus, et donc leur goût, est influencée par l’électricité statique. De plus, la formation des planètes, y compris la Terre, a probablement dépendu d’une étape d’agglutination des particules, due à l’électricité statique générée par les grains qui s’entrechoquent. C’est incroyable de voir à quel point ce phénomène a un impact sur notre vie et l’Univers dans son ensemble. » Par ailleurs, ce système innovant utilise uniquement votre électricité statique pour purifier l’eau.