Du claquement de la poignée à l'éclair

Vous traversez une pièce en moquette, vous tendez la main vers la poignée de la porte... clac : une petite étincelle, un picotement. Le même hiver, un ballon frotté sur les cheveux les fait se dresser, et la portière de la voiture vous pique quand vous descendez.
Ces petites décharges et le coup de foudre sont la même électricité : des charges séparées, qui finissent par se rejoindre d'un coup, à travers l'air. Seule l'échelle change : quelques millimètres d'étincelle d'un côté, des kilomètres d'éclair de l'autre.

Foudre et électricité statique : un éclair frappe le sol sous un nuage orageux

Le principe de ce cours : un objet que vous connaissez avant chaque idée, de vraies valeurs, vérifiées, et quatre animations à manipuler. On part de la poignée de porte, on monte jusqu'à l'orage, et on finit par les bons gestes.

Le mot « électricité » vient du grec êlektron, l'ambre : frottée, cette résine fossile attire les brins de paille. On attribue l'observation à Thalès de Milet, vers 600 avant notre ère.

Frotter, c'est déplacer des électrons

Tout objet contient des milliards de charges électriques : des électronsLes petites charges négatives qui entourent le noyau de chaque atome. Ce sont elles qui se déplacent dans un fil de cuivre parcouru par un courant., négatifs, et autant de charges positives dans les noyaux des atomes. En temps normal, les deux se compensent : l'objet est neutre.
Quand deux matières différentes se touchent puis se séparent, des électrons passent de l'une à l'autre. Frotter multiplie les contacts, donc les échanges :

celle qui perd des électrons devient positive ;
celle qui les gagne devient négative.

Électricité statique : quelles matières perdent ou gagnent des électrons

Quand deux matières se touchent puis se séparent, des électrons passent de l'une à l'autre. Le verre, les cheveux et le nylon ont tendance à en perdre et deviennent positifs ; le caoutchouc, le polyester, le PVC et le téflon à en gagner et deviennent négatifs ; le coton reste presque neutre. Un ballon frotté sur des cheveux prend leurs électrons : chaque cheveu, chargé positivement comme ses voisins, les repousse et se dresse.

Le ballon de baudruche, en caoutchouc, prend des électrons aux cheveux. Chaque cheveu se retrouve chargé positivement, comme ses voisins : ils se repoussent et se dressent.

Idée reçue :
le frottement ne « fabrique » pas d'électricité. Il ne crée aucune charge : il en déplace, d'une matière à l'autre. Le total reste nul, mais il est mal réparti.

À faire chez vous :
frottez un ballon sur des cheveux propres et secs, puis approchez-le de petits morceaux de papier : ils sautent dessus. Par temps humide, l'expérience marche beaucoup moins bien : l'humidité laisse les charges s'échapper.

Des milliers de volts, et vous êtes toujours là

En marchant sur une moquette, chaque pas frotte vos semelles sur les fibres : votre corps se charge, pas après pas. Par air sec, en hiver avec le chauffage, il peut monter à 35 000 volts ; par air humide, il ne dépasse guère 1 500 V.

Marchez sur la moquette, puis touchez la poignée.

Essayez :
par air sec, une dizaine de pas suffit pour sentir l'étincelle ; par air humide, vous pouvez marcher longtemps sans rien sentir. On commence à sentir la décharge vers 3 000 V, on voit l'étincelle vers 5 000 V.

Pourquoi 35 000 V ne vous font presque rien ? Votre corps se comporte comme un petit condensateurDeux conducteurs séparés par un isolant, qui stockent des charges : ici votre corps d'un côté, le sol et les murs de l'autre, l'air et vos semelles entre les deux. d'environ 100 picofarads : il stocke très peu de charges, et elles partent en moins d'une microseconde.

énergie de l'étincelle = ½ × C × U²
½ × 100 pF × (10 000 V)² = 5 millijoules

De quoi vous faire sursauter, pas de quoi arrêter un cœur : le danger électrique, c'est un courant qui traverse le corps et qui dure (cours DDR Protection terre, en lien en fin de page).

Idée reçue :
« des milliers de volts, ça peut tuer ». Pas ici : il manque la quantité d'électricité et la durée. L'étincelle électrise, elle n'électrocute pas. Le vrai risque est le sursaut : un geste brusque en haut d'une échelle.

La portière qui pique

En voiture, ce n'est pas la route qui vous charge le plus : ce sont vos vêtements qui frottent le siège quand vous glissez dehors. Debout sur le trottoir, vous emportez une charge, le siège garde la charge opposée. Votre main s'approche de la portière : clac.

La parade :
en sortant, gardez la main sur le cadre métallique de la portière pendant que vous glissez du siège : les charges s'écoulent au fur et à mesure, sans étincelle. Sinon, touchez la carrosserie avec une clé ou avec la paume : l'étincelle part du métal, pas du bout sensible de votre doigt.

Pour se le représenter :
vous et le siège, c'est le ballon et les cheveux. Le tissu du siège, vos vêtements, l'humidité de l'air et même votre peau changent tout : certains jours, rien ; d'autres, un claquement à chaque portière.

Le chercheur britannique John Chubb a montré, à la fin des années 1990, que ces chocs viennent surtout du frottement des vêtements sur le siège, et pas d'un défaut électrique de la voiture.