L'électricité statique est un phénomène qui apparaît souvent après le frottement de certains matériaux. Un objet ainsi frotté peut alors attirer de petits objets ou provoquer une petite étincelle. Les cheveux se dressent parfois lorsqu'on retire un bonnet en laine. Un écran de télévision ou d'ordinateur attire facilement la poussière après plusieurs heures de fonctionnement.

On l'observe aussi lorsqu'un ballon frotté contre un pull en laine colle au mur ou attire de petits morceaux de papier. Dans tous ces cas, un objet devient capable d'exercer une action électrique sur d'autres objets.

L'électricité statique peut également provoquer un petit choc lorsqu'on touche une poignée métallique après avoir marché sur une moquette ou lorsqu'on sort d'une voiture par temps sec. Ce choc correspond à une libération brusque des charges accumulées.

Les charges électriques

Les phénomènes d'électricité statique sont liés à l'existence de charges électriques. Il en existe deux types : les charges positives et les charges négatives.

Un objet qui possède autant de charges positives que de charges négatives est électriquement neutre. Lorsqu'il possède un excès de charges positives, il est positivement chargé. Lorsqu'il possède un excès de charges négatives, il est négativement chargé.

Les charges de même signe se repoussent. Les charges de signes opposés s'attirent. C'est pourquoi deux ballons frottés contre un pull en laine se repoussent souvent l'un l'autre, alors qu'un ballon chargé peut attirer de petits morceaux de papier.

La charge électrique s'exprime en coulombs (C). Dans la vie courante, les charges mises en jeu sont très petites et correspondent à des quantités énormes de charges élémentaires.

La conservation de la charge électrique

La charge électrique ne peut ni être créée ni être détruite. Elle peut seulement être transférée d'un objet à un autre.

Lorsqu'un ballon est frotté contre un vêtement, un transfert de charges se produit entre les deux objets. Le ballon gagne autant de charge que le vêtement en perd. La quantité totale de charge reste donc constante.

Cette propriété est appelée la conservation de la charge électrique. Elle explique pourquoi, dans une situation d'électricité statique, un objet ne gagne jamais de charge sans qu'un autre en perde en même temps.

L'électrisation

L'électrisation est le phénomène par lequel un objet neutre devient chargé électriquement. Elle peut se produire de trois façons : par frottement, par contact et par influence.

L'électrisation par frottement

Lorsque deux matériaux différents sont frottés l'un contre l'autre, des charges électriques peuvent passer de l'un vers l'autre. Le ballon frotté contre un pull en laine, la règle en plastique frottée contre un tissu ou encore les vêtements qui crépitent en sortant du sèche-linge sont des exemples d'électrisation par frottement.

Après le frottement, les deux objets portent des charges opposées. L'un a gagné des charges négatives tandis que l'autre en a perdu. C'est ce déséquilibre qui rend l'interaction électrique visible.

L'électrisation par contact

Un objet déjà chargé peut transmettre une partie de ses charges lorsqu'il touche un autre objet conducteur. Les charges se répartissent alors entre les deux objets jusqu'à atteindre un nouvel équilibre.

Si une sphère métallique chargée touche une seconde sphère neutre, la seconde sphère devient elle aussi chargée. Après séparation, les deux objets portent en général des charges de même signe.

Ce mécanisme apparaît aussi lorsqu'un objet métallique chargé entre en contact avec un autre conducteur relié à un circuit ou à un appareil de laboratoire.

L'électrisation par influence

Un objet chargé peut aussi modifier la répartition des charges d'un conducteur sans le toucher. Sous l'effet de son action électrique, les charges se déplacent à l'intérieur du conducteur : une extrémité devient momentanément plus positive, l'autre plus négative.

Si le conducteur est relié à la Terre au bon moment, une partie des charges peut s'écouler vers le sol ou venir de la Terre selon le cas. Après avoir retiré cette liaison puis éloigné l'objet chargé, le conducteur conserve une charge électrique.

Cette méthode est utilisée dans certains appareils de laboratoire pour charger des conducteurs sans contact direct.

La polarisation des isolants

Dans un isolant, les charges ne circulent pas librement comme dans un métal. En revanche, elles peuvent se déplacer très légèrement à l'intérieur des molécules. Lorsqu'un objet chargé est approché d'un isolant, les charges positives et négatives se décalent légèrement dans des directions opposées. Ce phénomène est appelé la polarisation.

Grâce à cette polarisation, un ballon chargé peut attirer un mince filet d'eau, de petits morceaux de papier ou des cheveux sans que ces objets deviennent chargés de façon permanente.

C'est aussi pour cette raison qu'un objet chargé attire souvent de la poussière ou de très petits débris légers.

La décharge électrique

Lorsque deux objets portant des charges très différentes sont suffisamment proches, les charges peuvent passer brutalement de l'un à l'autre. Ce transfert très rapide est une décharge électrique.

La décharge s'accompagne souvent d'une étincelle, d'un léger bruit et d'un échauffement de l'air. Le petit choc ressenti après avoir marché sur une moquette puis touché une poignée métallique est provoqué par une décharge électrostatique.

Les stations-service, les ateliers manipulant des solvants inflammables ou les usines fabriquant des composants électroniques prennent de nombreuses précautions afin d'éviter ces décharges, qui peuvent provoquer un incendie ou endommager des appareils sensibles.

L'éclair et la foudre

Dans un nuage d'orage, les mouvements des gouttelettes d'eau, des cristaux de glace et des courants d'air provoquent une importante séparation des charges électriques. La partie inférieure du nuage devient généralement chargée négativement, tandis que la partie supérieure devient positive. Le sol, situé sous le nuage, se charge alors positivement par influence.

Lorsque la différence entre les charges devient suffisamment grande, l'air, habituellement isolant, devient conducteur pendant une fraction de seconde. Une gigantesque décharge électrique se produit : c'est la foudre.

L'air est brutalement porté à une température pouvant dépasser 30 000 °C. Il se dilate très rapidement puis se contracte, produisant l'onde de choc que nous entendons sous la forme du tonnerre.

Comme la lumière se propage beaucoup plus vite que le son, l'éclair est toujours visible avant que le tonnerre ne soit entendu.

Le paratonnerre

Le paratonnerre est une tige métallique placée au sommet d'un bâtiment et reliée à la Terre par un conducteur de forte section.

Lorsqu'un éclair frappe le bâtiment, le courant électrique est guidé vers le sol en suivant ce chemin de faible résistance. Le bâtiment est ainsi protégé contre les incendies et les dégâts provoqués par la foudre.

Les immeubles élevés, les clochers, les pylônes et de nombreux bâtiments industriels sont équipés de paratonnerres.

Les atomes et les électrons

Toute matière est constituée d'atomes. Un atome est formé d'un noyau entouré d'un nuage d'électrons. Le noyau contient des protons, qui portent une charge électrique positive, et des neutrons, qui ne portent aucune charge. Les électrons, situés autour du noyau, portent une charge électrique négative.

Dans un atome ordinaire, le nombre de protons est égal au nombre d'électrons. Les charges positives et négatives se compensent exactement : l'atome est alors électriquement neutre.

Les électrons les plus éloignés du noyau sont parfois faiblement retenus. Ils peuvent être transférés d'un atome à un autre, alors que les protons restent toujours liés au noyau. Les phénomènes d'électricité statique proviennent donc presque exclusivement des déplacements d'électrons.

Lorsque l'on frotte deux objets, certains électrons passent d'un matériau à l'autre. Lorsqu'un objet chargé touche un autre conducteur, des électrons se redistribuent entre eux. Lorsqu'un objet chargé approche un conducteur ou un isolant, les électrons se déplacent ou se réorganisent légèrement sous l'effet de son action électrique. C'est ce comportement des électrons qui explique l'ensemble des phénomènes observés dans l'électricité statique.