Electrons libres

Last update
2010-11-06

Les premières électrisations

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Vers 600 B.C. (Before Common era), le savant et philosophe grec Thalès (Miletus 625 BC - 547 BC), surtout connu pour son théorème et habitant la petite cité de Miletus, en Asie Mineure, fit une constatation étonnante, laquelle avait sans doute, jusque là, échappé à beaucoup d'autres savants et philosophes. L'ambre jaune, résine fossile dont on fait des bijoux, frottée à une peau de chat attire de petits corps légers tels que de la balle d'avoine ou des barbes de plumes. N'ayant aucune explication satisfaisante de ce phénomène, il en attribua la paternité à Zeus comme c'était la coutume à cette époque pour tout ce qui restait inexpliqué. Cette expérience resta longtemps une simple curiosité de la nature.

En grec ambre se dit êlektron et frotter se dit tribos, c'est ainsi que plus tard on nomma triboélectricité cette électrisation obtenue par frottement. C'est ce même phénomène qui vous charge d'électricité quand vous marchez sur une moquette synthétique avec des chaussures à semelle en caoutchouc crèpe.

Mais d'où vient cette électricité ?

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Un atome dans son état fondamental est naturellement neutre. Les charges positives du noyau sont en nombre égal aux charges négatives du nuage d'électrons qui l'entoure, aucune électrisation ne se manifeste. Cependant les électrons de la couche la plus externe sont plus faiblement liés au noyau et peuvent être arrachés par simple frottement. Souvent ils restent adhérents à l'objet qui est à l'origine du frottement. Ainsi les atomes de surface qui ont perdu un électron, lequel emporte avec lui une unité de charge négative, présentent de ce fait, une unité excédentaire de charge positive. Les deux objets, frotté et frotteur, portent maintenant des charges de signe opposé, lesquelles peuvent se manifester de diverses façons : attraction, influence, décharge brusque et lumineuse, etc... Seules ces charges par défaut ou par excès nous intéressent ici, en effet quand il y a équilibre et neutralité il ne se produit rien de remarquable.


Comment la mettre en évidence ?

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Traditionnellement on mettait en évidence la présence de charges électriques au moyen d'un électromètre à feuilles d'or. Le fait que les deux lamelles s'écartent l'une de l'autre montrait qu'elles étaient porteuses de charges excédentaires. La démonstration avait ainsi un caractère plutôt statique.

Les moyens actuels permettent de rendre cette démonstration beaucoup plus dynamique. Henri Staszewski, F1BNS, a réalisé des électromètres, l'un pour charges négatives, l'autre pour charges positives, qui sont une véritable merveille et avec lesquels il étonne les visiteurs à la fête de la science. Ces dispositifs sont extrèmement sensibles à toute variation de potentiel due à un déplacement de charges

La figure ci-dessous montre le schéma et le fonctionnement de l'électromètre pour charges négatives. L'approche d'une baguette isolante chargée négativement influence les charges, jusque là équilibrées, de l'anneau toroïdal métallique. Des électrons sont repoussés en direction de la terre, créant un courant au travers de la résistance inverse, très élevée, de la diode D1. Ce courant, crée aux bornes de D1 une différence de potentiel qui met en conduction le transistor et allume la lampe témoin un court instant pendant qu'un nouvel équilibre s'établit. Si on éloigne la baguette chargée le phénomène inverse se produit mais avec cette différence que la lampe témoin ne s'allume pas car la diode D1 est maintenant polarisée en direct et empêche toute élévation de potentiel sur l'électrode de commande du transistor.

Si maintenant nous touchons l'anneau toroïdal avec la baguette, les charges se trouvant au point de contact vont s'écouler à la terre, provoquant l'allumage de la lampe témoin, cependant d'autres points de la baguette peuvent rester chargés et produire un nouvel allumage, car nous avons vu plus haut que la baguette est isolante, donc ne conduit pas les charges. Si nous faisons l'expérience avec une baguette métallique, donc conductrice, elle se vide entièrement et un nouvel allumage du témoin n'est pas possible. Pour procéder à l'électrisation d'une baguette métallique il faut prendre soin de la munir d'un "manche" isolant sinon les charges s'écoulent à la terre à travers le corps de l'opérateur.

L'électromètre pour charges positives est analogue et complémentaire, toute les polarités sont inversées et le transistor est un BS170.


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Isolants et conducteurs

Dans certains matériaux dits isolants électriques les électrons périphériques sont fortement liés au noyau. Ils ne peuvent se déplacer d'un atome à l'autre. Par contre dans les matériaux dits conducteurs électriques, c'est le cas pour la plupart des métaux, les électrons périphériques sont libres de se déplacer d'un atome à l'autre. En fait ils constituent un nuage diffus qui baigne le réseau cristallin. Si, dans un circuit fermé on applique une différence de potentiel aux extrémités d'un conducteur, des électrons vont entrer par une extrémité et il en ressortira autant à l'autre extrémité de façon à ce que l'ensemble reste neutre. Les premiers électrons à quitter le conducteur seront vraisemblablement ceux qui y étaient déjà présents avant l'application de la différence de potentiel. Cependant il est impossible de les distinguer car tous ces électrons sont libres et égaux.

Un peu de tribologie pratique

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Sous l'action d'un frottement certains matériaux cèdent des électrons et acquièrent une charge positive alors que d'autres gagnent des électrons et acquièrent une charge négative. Le tableau ci-après donne la polarité de l'électrisation résultante du matériau de la ligne supérieure quand il est frotté avec le matériau de la colonne de gauche.

  Verre PVC gris PMMA Polystyrène PTFE Cuivre rouge Alu oxydé
Chaussette en
laine des Pyrénées
+ _ + + _ + +
Coton
hydrophile
+ _ + + _ 0 0
Textile
acrylique
+ _ + _ _ + +
Peau de chat
synthétique
+ _ + + _ _ +

Loi de Coulomb

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Charles de Coulomb (Angoulême, 1736 - Paris 1806), physicien français. En 1785, grâce à un a électromètre à balance de torsion de sa conception, il établit les lois théoriques et expérimentales qui régissent les phénomènes liés aux charges électriques. Par la suite l'unité de mesure de la charge électrique fut nommée coulomb afin d'honorer ses travaux dans ce domaine. Sous sa forme littérale la loi de Coulomb peut se résumer comme suit.

Les forces exercées par deux charges électriques ponctuelles l'une sur l'autre sont égales et opposées, dirigées selon la droite qui les joint, proportionnelles aux deux charges, et inversement proportionnelles au carré de leur distance ; elles sont répulsives si les deux charges sont de même signe, attractives si elles sont de signe contraire. Les forces exercées par deux corps électrisés l'un sur l'autre sont les résultantes de toutes les forces élémentaires exercées les unes sur les autres par les charges électriques réparties sur ces deux corps.

Cette belle définition est extraite de l'ouvrage de G. Bruhat (1), lequel contient aussi toutes les formulations mathématiques relatives aux phénomènes électriques.

(1) G. Bruhat, Cours de Physique Générale, tome Electricité, huitième édition par G. Goudet. Masson & Cie, 1963

-- rleb, Octobre 2008

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File: el.html - Robert L.E. Billon, 2008-10-02 - Last update: 2010-11-06