Qu’est-ce que l’électricité statique ? Nous avons peut-être enfin une réponse
Ce phénomène électrique quotidien n’avait pas d’explication scientifique largement acceptée – peut-être, jusqu’à présent.
Crédit : Ilona Panych via Unsplash
Quelque part sur le campus de Northwestern se trouve peut-être la réponse à un mystère vieux de 2600 ans : l’origine exacte de l’électricité statique. Chaque matériau connu en crée, et elle est souvent d’une puissance disproportionnée par rapport à la quantité d’énergie qu’il faut pour la créer. Pourtant, étonnamment, ce phénomène électrique quotidien n’avait aucune explication scientifique largement acceptée – peut-être, jusqu’à présent.
La solution, cachée dans un dense fourré de mathématiques, a été trouvée par Alex Lin et Christopher Mizzi, deux doctorants de Northwestern travaillant dans le laboratoire du professeur Laurence Marks. Leur réponse réside dans des protubérances microscopiques à la surface d’un matériau et dans deux vieux concepts de physique qui ont été négligés pendant des décennies.
Si le modèle tient la route, il pourrait avoir de vastes applications pratiques, en aidant les scientifiques à supprimer les étincelles d’électricité statique là où elles peuvent être dangereuses – et peut-être même en exploitant l’électricité statique pour alimenter des appareils médicaux ou dynamiser des éoliennes.
Quelle est la cause de l’électricité statique ?
“Tout le monde a vu la triboélectricité”, déclare M. Marks, avec son accent anglais bas et laconique, en utilisant le terme scientifique pour l’électricité statique. “Mais quand on commence à se demander ‘bien, pourquoi cela se produit-il ?’, personne ne le sait vraiment. Ou du moins personne ne le savait, en tout cas en ce qui me concerne.”
La première trace du phénomène dans le monde occidental remonte à 600 avant Jésus-Christ. Thalès de Milet, le père de la philosophie grecque, frotta un morceau d’ambre contre sa fourrure. Son pelage nouvellement chargé a commencé à attirer la poussière comme un exemplaire d’Infinite Jest. Depuis lors, de nombreuses théories sur les causes de l’électricité statique ont suivi, mais aucune n’a été acceptée par tous.
Marks pensait que la réponse pourrait se trouver dans deux phénomènes que nous comprenons déjà : la friction et la flexoélectricité. La friction est bien comprise et est clairement cruciale pour l’électricité statique, d’une manière ou d’une autre, comme toute personne ayant frotté ses chaussettes sur un tapis peut en attester.
L’autre composante (la flexoélectricité) est un peu plus exotique. Tous les matériaux ont une structure moléculaire, et lorsque cette structure est pliée de manière irrégulière, ce déplacement peut créer une charge électrique. Marks a pensé que la combinaison de ces deux concepts pourrait créer un modèle utile de triboélectricité.
“J’ai fini par persuader Alex (Lin) et Chris (Mizzi) – avec un peu d’encouragement – et ils ont fait la plus grande partie du travail”, dit Marks en riant. Lin et Mizzi, en échangeant des idées avec Marks, ont avancé pendant six mois avant de parvenir à leur modèle.
Même les surfaces qui semblent complètement plates sont couvertes de petites protubérances à l’échelle nanométrique. Lorsque ces minuscules protubérances se frottent les unes aux autres, grâce à la friction, elles créent de la flexoélectricité ; la charge créée par cet effet provoque ce que nous appelons l’électricité statique. Il s’agit d’un modèle magnifiquement simple, composé de pièces bien rodées, même si les processus qu’il explique sont complexes.
Le laboratoire de Marks pense que de minuscules protubérances à la surface des matériaux génèrent une polarisation lorsqu’elles sont pliées. Cet effet, connu sous le nom de flexoélectricité, est alors à l’origine de l’électricité statique.
Crédit : Schéma gracieuseté de Laurence Marks/Northwestern
Mais pour le prouver, Lin et Mizzi ont dû fouiller dans les archives scientifiques, à la recherche d’équations modélisant la friction et la flexoélectricité. La pensée doucereuse a ponctué le processus, se retirant pendant qu’ils dansaient avec ce mystère millénaire. Ils ont cherché des articles en ligne, rassemblant toutes les équations dont ils pourraient avoir besoin, puis ont travaillé les mathématiques à la main, jusqu’à ce que le nuage de chiffres et de symboles se transforme en un modèle qui fonctionne vraiment.
“En fin de compte, nous voulions avoir une vue d’ensemble de la situation”, explique M. Lin.
Selon Michael McAlpine, professeur d’ingénierie à l’université du Minnesota, le modèle est logique. “C’est une explication tellement simple que j’ai été surpris de ne pas avoir mis le doigt dessus”, dit McAlpine. Le résultat final approuvé par le rasoir d’Occam et le fait que le modèle repose sur des équations éprouvées rendent le modèle également attrayant.
Le modèle fournit une explication convaincante de l’électricité statique produite entre le même type de matériau, mais les causes de cette électricité dans d’autres types de matériaux – par exemple, un liquide frottant contre un gaz – devront également être testées à l’aide du modèle. Tous les matériaux de la planète peuvent créer de l’électricité statique, les sujets de test ne manquent donc pas.
Les avantages
Si le modèle s’avère exact, les applications pourraient être nombreuses. Les nanogénérateurs sont de minuscules dispositifs qui récoltent l’énergie étonnamment robuste de l’électricité statique. Avec suffisamment de connaissances de base, nous pourrions commencer à utiliser la puissance de n’importe quel frottement contre n’importe quel matériau.
Selon Wenzhuo Wu, professeur adjoint d’ingénierie à Purdue, le potentiel de l’énergie triboélectrique est considérable. Si les bases de l’électricité statique sont mieux comprises, nous pourrions maximiser l’efficacité des générateurs d’énergie éolienne ou houlomotrice, explique Wenzhuo Wu.
Le mouvement propre du corps pourrait être utilisé pour alimenter des appareils médicaux internes. Imaginez pouvoir créer un toit façonné de manière à exploiter la puissance d’une goutte de pluie – le frottement de la pluie passant sur la surface – pour générer de la triboélectricité, alimentant ainsi le bâtiment situé en dessous.
Ou bien le modèle peut aider à faire exactement le contraire. Des connaissances de base peuvent permettre de mieux contrôler, voire d’éliminer, l’électricité statique. Ce phénomène est terriblement dangereux dans tout environnement où il faut éviter les étincelles. Une compréhension précise des causes de la triboélectricité peut jeter les bases de la prévention de ce phénomène.
“Les gens y ont pensé, et en ont également fait l’expérience, sans même se rendre compte de ce qu’ils vivaient depuis très longtemps”, déclare Mizzi. “L’ampleur de ce phénomène est vraiment impressionnante.”
Source : Big Think – Traduit par Anguille sous roche
