Électricité statique

 

 

Le document qui suit est une adaptation d'une conférence que donna le professeur Bernard Béland aux étudiants de l'Université de Sherbrooke durant l'année académique 1992-1993. Le document contient:

Introduction
Nature de l'électricité statique
Force et charge
Conducteurs et isolants

Danger d'ignition
Temps de relaxation
Générateurs
Prévention
Explosion
Électricité statique utile

 

Tableau I - Série triboélectrique
Tableau II - Énergie d'ignition
Tableau III - Temps de relaxation

Figure 1 - Tension V appliquée entre deux objets
Figure 2 - Répulsion entre deux objets chargés
Figure 3 - Capacité entre deux systèmes de conducteurs
Figure 4 - Générateur Van de Graaff
Figure 5 - Induction ce charge
Figure 6 - Induction de charges sur deux tiges
Figure 7 - Filtre électrostatique 

Introduction

L'électricité statique se rencontre partout: dans les résidences, les usines et la nature. Elle est générée en petite quantité lorsqu'on se peigne les cheveux ou lorsqu'on marche sur un tapis, en quantité moyenne dans des machines ou en très grande quantité dans les coups de foudre. Elle est presque toujours sans conséquence fâcheuse sauf pour un choc déplaisant. Dans d'autres cas, elle peut produire des catastrophes. C'est le cas du coup de foudre qui peut conduire à l'électrocution ou à un incendie. Même en petite quantité, elle peut conduire à une explosion et à un incendie dans des circonstances particulières comme en présence de mélanges explosifs.

 

 

Nature de l'électricité statique

La matière est constituée d'atomes qui ont un noyau avec des charges positives et des électrons en périphérie qui ont des charges négatives. Ces charges sont présentes dans toute la matière et tous les atomes. Les charges positives et négatives sont normalement en quantités égales et la matière est électriquement neutre. Pour différentes raisons, les électrons peuvent être enlevés d'un matériau et transmis à un autre. Le deuxième matériau aura aussi un surplus d'électrons et sera donc négatif alors que le premier aura une déficience d'électrons et sera positif.

Ce transfert de charges peut être fait de différentes manières. 

La Figure 1 montre deux objets A et B entre lesquels on applique une différence de potentiel V à l'aide d'une source qui peut être une batterie par exemple.  Le pôle positif de la batterie attirera les électrons de l'objet B comme il est indiqué par la flèche C. Cela laisse une déficience d'électrons sur l'objet B qui sera aussi chargé positivement. On notera qu'une perte d'électrons revient au même qu'un gain de charges positives et l'un ne peut être reconnu de l'autre par ses effets électriques. 

De la même façon, l'objet A sera chargé négativement puisque le pôle négatif de la batterie repousse les charges négatives vers l'objet A.  Il y aura alors un surplus d'électrons ou de charges négatives vers l'objet A. On aura remarqué que dans la discussion ci-haut, nous avons utilisé le fait que les charges de même signes se repoussent et que les charges de signes opposés s'attirent. 

Nous reviendrons sur ce point.

Lorsque deux objets de nature différente sont frottés l'un sur l'autre, il se produit un transfert de charges d'un matériau vers l'autre. Si, ensuite, on les sépare, ils seront chargés, l'un positivement et l'autre négativement. 

En fait, le frottement n'est pas nécessaire; il suffit de mettre les matériaux en contact et de les séparer pour produire l'effet.  Le frottement ne fait que d'assurer un contact plus énergique. Par exemple, lorsqu'on marche sur un tapis, il y a génération d'électricité statique même si les pieds ne glissent pas.

La quantité de charge générée dépend de la matière des matériaux en contact, de leurs surfaces, de la façon dont la séparation est faite et de bien d'autres facteurs. 

La présence d'un film de graisse ou d'humidité en surface peut affecter grandement les résultats. Certains matériaux ont une grande propension à perdre des charges ou à en acquérir. 

Cette facilité est donnée dans le Tableau 1 qu'on appelle la série triboélectrique.  Les premiers matériaux sont ceux qui ont le plus tendance à devenir positif alors que ceux de la fin tendent à devenir négatifs ou accepter des charges. 

Il va de soi que, plus deux matériaux sont loin l'un de l'autre dans cette liste, plus il y aura tendance à générer de grandes charges d'électricité statique suite à une séparation des surfaces. Ainsi, pour faire un générateur d'électricité statique on utilisera deux matériaux éloignés. 

Dans le cas où on désire éviter les problèmes d'électricité statique, on choisira deux matériaux rapprochés. Cela explique pourquoi deux personnes marchant sur la même moquette pourront être soumises à des chocs d'intensités différentes dépendant de la nature des semelles des souliers.

Série triboélectrique
Fourrure de lapin (plus positif)
verre
nylon
laine
fourrure de chat
coton
soie
dacron
polyvinylchloré
polyéthylène
caoutchouc
Teflon
Saran wrap (plus négatif)

Tableau 1 

 

 

Force et charge

Lorsque deux objets sont chargés il y a alors une force qui s'exerce entre les deux objets qui est donnée par:

où: F est la force en newton
Qa et Qb sont les charges en coulombs sur les objets a et b, respectivement et 
R est la distance entre les deux charges.
Le nombre 10exp9 veut dire l'unité suivie de neuf zéros ou un milliard. 

La force en sera une d'attraction si les charges sont de signes opposés et de répulsion si les charges sont de même signe. À cause du nombre 9 x 10exp9 dans l'équation (1), on pourrait penser que les forces sont énormes. Ce serait le cas si les charges étaient de l'ordre de l'unité. Cependant, une charge de coulomb est énorme. En pratique, les charges sont presque toujours très faibles et les forces électrostatiques le sont également. Un électron constitue une charge de 1,6 x 10exp-19 coulomb. Ainsi, il faut une charge de 6 x 10exp18 électrons pour constituer un coulomb.

La facilité avec laquelle un système de deux objets peut accumuler des charges s'appelle la capacité et s'exprime en farads. On a la relation suivante:

où C est la capacité en farad, 
V est la tension en volts entre les deux objets et 
Q est la charge en coulomb sur chacun des objets.

L'expérience illustrée à la page suivante est instructive et peut être reproduite facilement par le lecteur. Prenons deux verres à café en mousse de plastique (styrofoam). On perce un petit trou au fond de chacun de ceux-ci et on y introduit un fil léger avec un noeud et on les suspend comme il est indiqué sur la Figure 2.On charge simultanément les deux verres en contact l'un avec l'autre en les frottant sur un autre matériau comme un gilet de laine ou sur ses cheveux. 

Les verres sont ainsi chargés avec une charge sur chacun d'eux. 

Les verres se repoussent avec une force F donnée par:

où R est la distance entre les deux verres en mètre. 

Soit M la masse, en kilogramme d'un verre. A partir de considérations géométriques sur la Figure 2, on peut écrire:

q est l'angle entre la vertical et les deux fils alors que g est la constante gravitationnelle terrestre. En égalant les équations (3) et (4) et après avoir réarrangé les termes, on retrouve:

Puisque Q = CV(équation 2), on peut transformer pour exprimer la tenvion V

Pour un cas ou:

M = 0.0025kg
g = 9.8m/(s*s)
R = 0.1m
q = 10°
C = 2*10Exp-8 farad

on trouve:

Q=7*10Exp-8 coulomb et V= 35 000volts

Une telle tension peut sembler très élevée mais elle n'a rien d'exceptionnel. Par exemple, en hiver, lorsque l'air est très sec, si on marche sur un tapis et qu'on approche un doigt d'une pièce métallique, l'électricité saute dans l'air entre son doigt et l'objet. On a une décharge électrique. Le saut se fait sur une distance de l'ordre de quelques millimètres et parfois jusqu'à environ un centimètre. Pour les petites distances, l'air éclate à un champ électrique d'environ 3 000 volts par millimètre de distance. Ainsi, la tension peut facilement atteindre quelques dizaines de milliers de volts, dépendant des conditions.

Il n'est pas nécessaire de comprendre les équations qui ont été données plus haut pour suivre la suite de cet exposé. Elles n'ont été développées que pour ceux qui ont un certain intérêt et une formation scientifique.

On sait que ces décharges électrostatiques, bien que déplaisantes, ne sont pas mortelles. Cela peut sembler surprenant à première vue puisque la tension est très élevée. Notons que la quantité de charge est très faible soit de l'ordre de 10exp-7 coulomb. Cette charge correspond, par exemple, à un courant de 0,0001 ampère pendant 0,001 seconde. On sait qu'un courant d'un ampère correspond à un débit d'un coulomb par seconde. On voit pourquoi ces décharges sont normalement sans conséquences sauf dans le cas de systèmes où la capacité C est très grande. On verra que c'est le cas pour la foudre.

Pour ces décharges de courte durée, le danger d'électrocution mortelle n'existe que lorsque l'énergie emmagasinée dans le système est de l'ordre de 20 joules. On considère généralement une énergie de l'ordre de 10 à 50 joules comme constituant un danger sérieux d'électrocution. L'énergie , en joule, emmagasinée dans un condensateur C est donnée par:

Ainsi, dans l'exemple donné plus haut avec les deux verres chargés, l'énergie est de

E = 1/2*(2*10exp-12*35000exp2) joule soit 0.0012 joule

Dans le cas de deux personnes qui s'apprêtent à se donner la main, la capacité entre les personnes est de l'ordre de 100 x 10exp-12 farad. Ainsi, en supposant que la différence de potentiel est de 30 000 volts, l'énergie emmagasinée est de:

E = 1/2*(100*10exp-12*35000exp2) joule soit 0.18 joule

Même dans ce dernier cas, l'énergie en jeu est environ 100 fois plus faible que le niveau dangereux pour l'électrocution. Signalons que le choc peut être déplaisant et que, le mouvement de recul qui s'ensuit instinctivement peut conduire à des dangers tels une chute.

 

 

Conducteurs et isolants

Du point de vue électrique, les matériaux sont classifiés comme conducteurs ou isolants. Tous les métaux et leurs alliages sont des bons conducteurs à un degré plus ou moins élevé. De façon générale, les alliages, quoique bons conducteurs, le sont à un degré moindre que les métaux purs. Par contre, les matières plastiques, le bois, le coton, la soie et le papier sont des isolants électriques. 

D'autres matériaux ont une conductivité intermédiaire entre ces derniers. C'est le cas du carbone dont la conductivité se situe entre celle des conducteurs et des isolants bien qu'il soit plus près des conducteurs que des isolants. L'eau est aussi un matériau intermédiaire qui n'est ni bon isolant, ni bon conducteur. Bien que l'eau parfaitement pure soit un assez bon isolant, en pratique ce liquide contient toujours des sels dissous et cela le rend un peu conducteur d'électricité. La conductivité augmente rapidement en fonction des sels ou acides dissous.

Plus haut, nous mentionnions que le bois, les tissus et le papier sont de bons isolants électriques. Ces matériaux sont poreux et peuvent absorber une certaine quantité d'eau. Ils ne sont pas absolument secs. Par exemple, dans une température ambiante de 20° C et 50% d'humidité relative dans l'air, le bois contient environ 8% de sa masse en eau. 
Ces matériaux sont de plus en plus conducteurs lorsqu'ils sont de plus en plus humides. Même des matériaux imperméables comme le plastique peuvent produire une conduction de surface si les conditions sont telles que la surface devient humide ou mouillée. Cela serait particulièrement vrai en milieu salin ou acide.

En électricité, les courants se mesurent en ampères. Par exemple, un grille-pain tire un courant de 12 ampères; le débit est donc de 12 coulombs par seconde. On l'a vu plus haut, en électricité statique, les charges ne sont qu'une très faible fraction d'un coulomb. 

Le moindre courant de fuite fera disparaître toutes les charges très rapidement. Pour ces raisons, un matériau qui laisse fuir les charges même à un faible degré sera considéré comme un conducteur pour l'électricité statique et un isolant par un technicien en électricité. Par exemple, un tapis dans l'air humide à 70% sera un très bon isolant pour la tension 120 V domestique. Par contre, ce même tapis est suffisamment conducteur pour éliminer toutes les charges statiques. Ainsi, pour ce dernier cas, il sera un conducteur. Le lecteur aura sans doute déjà remarqué que les chocs électrostatiques se produisent seulement lorsque l'air est sec, par exemple, dans un édifice chauffé l'hiver.

Plus l'air est sec, plus les problèmes d'électricité statique sont susceptibles de se produire. En général, si l'air contient plus de 50 ou 60% d'humidité relative, les problèmes d'électricité statique sont minimes ou inexistants. On voit là une solution simple pour résoudre ce problème; il suffit d'humidifier l'air.

On croit souvent, à tort, que l'air humide est plus conducteur que l'air sec. D'ailleurs, le paragraphe précédent peut le laisser croire puisque, en humidifiant l'air, on prévient l'accumulation des charges. En fait, ce qui se passe, est que l'air humide mouille les surfaces et, surtout, augmente le contenu en eau des matériaux. Ce sont eux qui, rendus plus conducteurs préviennent l'accumulation des charges. Ainsi, on prévient l'accumulation des charges en mouillant les matériaux isolants. 

L'effet de l'humidité de l'air n'est que de rendre les matériaux partiellement conducteurs de l'électricité.

Le lecteur aura sans doute remarqué que certains tissus fraîchement lavés causent des problèmes d'électricité statique. Avec le temps, les problèmes disparaissent même si l'air est toujours sec. Cela vient du fait qu'un matériau devient sale à cause de l'air et de la sueur. On ajoute ainsi des matières polluantes sur le tissu et il devient moins bon isolant. On ajoute quelquefois des produits à la lessive pour éviter le problème. Je ne connais pas le secret des manufacturiers mais il est probable qu'on ajoute certains sels ou autres produits pour rendre le matériau partiellement conducteur. C'est l'équivalent de s'assurer d'une certaine quantité de polluant.

 

 

Danger d'ignition

Si on ajoute des charges sur un objet, la tension augmente jusqu'à ce qu'il y ait éclatement de l'isolant ou de l'air qui l'entoure. Généralement, cette tension est limitée à quelques milliers ou dizaines de milliers de volts. Exceptionnellement, cette tension peut approcher 100 000 volts. Lorsqu'il y a éclatement de l'isolant ou de l'air, il se produit une décharge électrique lumineuse et un petit bruit sec.

On l'a vu, l'énergie emmagasinée dans un condensateur est:

Si cette énergie est suffisamment élevée, il peut y avoir ignition de certaines substances. Le tableau II donne l'énergie minimale requise pour l'ignition de certaines substances. On remarquera que pour les poussières en suspension dans l'air, l'énergie est beaucoup plus grande que celle requise pour les vapeurs de gaz combustibles.

L'énergie donnée dans ce tableau est exprimée en mJ (milli Joule). Les valeurs données sont le niveau au-dessus duquel il y a danger d'ignition. C'est le niveau d'énergie pour lequel l'ignition s'est faite sous des conditions contrôlées en laboratoire. Cela suppose que le mélange est en proportion telle qu'il soit combustible et explosif. Il va de soi que, par exemple, si les vapeurs d'essence sont en dessous de la plage explosion, l'explosion sera impossible. De même que pour les poussières en suspension, le danger donné correspond à celui obtenu avec des particules très fines bien mélangées dans l'air et dans la proportion la plus dangereuse. 

Ainsi, dans bien des cas, l'énergie pourrait être bien plus élevée que celle qui est donnée au Tableau II et l'explosion pourrait très bien ne pas se produire. D'autres conditions, telles de basses températures ou un pourcentage d'humidité élevé peut également diminuer considérablement le danger d'explosion. Cependant, étant donné les conséquences catastrophiques que peut constituer une explosion, il faut prévoir une marge de sécurité.

Énergie d'ignition

Type de matériau Énergie minimale(mJ)
A- Vapeurs combustibles  
Essence 0.2
Éthylène 0.075
Hydrogène 0.011
Méthane 0.28
Propane 0.16
B- Poussières en suspension  
Aluminium 50@280
Poussière de bois 20@40
Poussière de chocolat 100
Poudre noire 300

Tableau II

 

Pour calculer l'énergie, il faut estimer la tension et la capacité. En général, un calcul précis n'est pas possible ou requis; il faudra cependant prévoir une marge de sécurité. La tension pourra être estimée à partir de la distance d'éclatement. Il faut environ 30 000 V par centimètre.

Pour des formes géométriques simples, il est facile de calculer la capacité entre deux objets. Pour des plaques, la valeur de la capacité C est donnée par (voir Figure 3a).

où A est la surface des plaques en mètre carré et d est la distance en mètre entre celles-ci. Cette équation n'est strictement valable que si d est petit par rapport aux dimensions des plaques. Pour deux cylindres concentriques comme il est montré sur la Figure 3b, on a:

où les dimensions en mètres, sont données sur la figure. 

Pour deux sphères concentriques de rayons a et b comme à la Figure 3c, on a

où encore une fois, les dimensions sont données sur la figure

Si le matériau entre les deux conducteurs est autres que l'air, il faut multiplier les valeurs obtenues des équations 8, 9 et 10 par la constante électrique relative du matériau. Cette constante est généralement de l'ordre de 2 à 5 pour presque tous les matériaux usuels tels le bois, les matières plastiques et les huiles.

Il est cependant très rare que les configurations géométriques soient aussi simples que celles qui sont données sur la Figure 3. Généralement, on est plutôt confronté avec la capacité entre un objet quelconque et les objets environnants. Il est intéressant de remarquer que, si dans l'équation (10) on fait b très grand, la capacité devient:

C = 111*10-12*a

où a est le rayon de l'objet. On a alors la capacité entre cet objet sphérique et une sphère infiniment grande autour de la sphère de rayon a. On a aussi une valeur limite minimale qui peut être utilisée dans certains cas.

La capacité entre un être humain et des objets environnants est généralement comprise entre [50 et 500]*10exp-12 farad. La valeur exacte dépend de la grosseur et de la proximité des objets environnants. La plage des valeurs données ci-haut est représentative de la réalité pour des problèmes d'électrostatique.

Par exemple, un être humain, qui marche sur un tapis alors que l'air est sec, peut facilement, générer une tension de 5 000 V. Avec une capacité de 200*10exp-12 farad, l'énergie emmagasinée est de

É = 1/2*200*10-12*50002 = 0.0025joule ou 2.5mJ

Cette énergie est suffisante pour initier une explosion dans des vapeurs d'essence; elle est cependant insuffisante pour initier une explosion dans des poussières en suspension comme le montre le Tableau II. Cependant, on pourrait montrer qu'une sphère d'un pouce de diamètre chargée à 4 000 V ne pourrait pas initier une explosion, même dans les pires conditions.

 

 

Temps de relaxation

Si on place des charges de façon ponctuelle sur un objet, ces charges, puisqu'elles se repoussent, ont tendance à se répartir éventuellement sur tout l'objet. Évidemment, cette redistribution se fera de façon très rapide si l'objet est un bon conducteur. Le temps sera beaucoup plus long dans le cas d'un isolant. Pour un isolant parfait, il ne pourrait y avoir de redistribution mais ce matériau parfait n'existe pas dans la nature.

Supposons que l'on place une densité de charge r en coulomb par mètre cube sur un certain matériau. On peut montrer que, après un certain temps T en secondes, la densité de charges est donnée par:

er est la permittivité du vide et égal à 8,85 x 10-12 farad par mètre
eo est la permittivité relative
sest la conductivité du matériau en siémen par mètre
Des valeurs représentatives de er ,s et T sont données dans le Tableau III pour quelques matériaux.

Temps de relaxation

Matériau er s siémen/m T second
cuivre 1 5.25*107 1.6*10-19
nylon,plexiglass 3.5 1010 0.3
eau distillée 81 10-4 7*10-6
hydrocarbonnes légers 2.1 10-13 186(3min)
hydrocarbonnes purifiés 2.1 10-15 18600(5h

Tableau III

 

Le temps T est une constante de temps ou le temps de relaxation.  C'est le temps au bout duquel la densité de charge aura diminué à 36,8% de sa valeur initiale. Après un temps égal à 3T, la densité aura diminué à 5% de sa valeur initiale.

On le voit sur le Tableau III, dans les conducteurs, les charges se redistribuent de façon presque instantanée. Même pour l'eau pure, la redistribution se fait de façon très rapide. On note cependant que les hydrocarbones ont une très grande constante de temps puisque ce sont de très bons isolants électriques. Ils sont peu ou pas utilisés comme tels à cause de leur combustibilité. 

Ainsi, dans un réservoir de produits pétroliers, il peut exister des charges positives dans une certaine région et des charges négatives dans une autre. Il faudra un temps très long avant que ces charges se redistribuent. De plus, lors d'un transbordement de tels produits, à cause de l'écoulement, il peut se créer de grandes charges et présenter un danger d'ignition. 

Bien que des charges puissent être accumulées dans le liquide et créer des différences de potentiel à l'intérieur de celui-ci, le réservoir, s'il est métallique sera soumis à un potentiel constant sur toute sa surface. 

Cependant, cette surface peut très bien être à un potentiel plus ou moins élevé par rapport au sol ou par rapport à un autre réservoir. En effet, les pneus d'un camion constituent un isolant par rapport au sol.

On pourra éviter les différences de potentiel entre deux réservoirs en reliant ceux-ci par un conducteur électrique. Pour éviter de créer de grandes charges, on limite la vitesse d'écoulement à environ un mètre par seconde. Dans ce cas, l'écoulement est laminaire et sans turbulence; cela diminue grandement la ségrégation des charges.

 

 

Générateurs

Nous allons voir maintenant comment on peut générer des charges. Certains de ces dispositifs sont utilisés pour générer de très hautes tensions continues. Le débit de courant est en général très faible.

Alternativement, pour éviter de générer des charges, il faudra éviter ces situations.

Un dispositif très courant pour générer des charges est le générateur Van de Graaff. La Figure 4 montre un tel générateur. Il est constitué d'une courroie isolante qui passe sur deux rouleaux. Le rouleau du bas est entraîné par un moteur - ou manuellement - comme il est indiqué sur la figure. On applique des charges sur la courroie avec un peigne (A) constitué de plusieurs petits fils conducteurs en contact avec la courroie. Ce peigne est maintenu à une tension négative par rapport à la base. Cette tension peut être de quelques volts dans les petits générateurs et de quelques milliers de volts dans les grands systèmes.

On applique ainsi des charges négatives sur la courroie. À cause du déplacement de courroie, ces charges sont entraînées vers le haut où un autre peigne (B) collecte ces charges pour les distribuer sur la sphère métallique du haut. Cette sphère doit évidemment être isolée de la base, par exemple, par un tube isolant.

On peut ajuster le taux de charge en variant la tension V de l'accumulateur. On peut d'ailleurs changer la polarité des charges sur la sphère du haut en changeant la polarité de la l'accumulateur. Dans les petits générateurs, l'accumulateur est souvent omise et la charge se produit quand même. Dans les gros systèmes, on installe une résistance(entre la courroie et le collecteur métallique) avec un espace d'éclatement en E pour limiter le potentiel à une valeur maximale.

Le débit est limité en général à l'ordre du microampère. Il peut toujours être augmenté en utilisant une courroie plus large ou en utilisant plusieurs de celles-ci.

Ces générateurs atteignent facilement 20 000 à 100 000 volts. Certains gros systèmes génèrent plusieurs millions de volts.

Le lecteur notera qu'il faut de la puissance mécanique provenant du moteur pour accumuler des charges, bien que cette puissance soit faible. En se référant à la Figure 4, les charges négatives sur la courroie sont repoussées par la charge sur la sphère et il faut fournir une force sur la courroie pour monter les charges. Éventuellement, quand la sphère est chargée à son maximum, les charges ne sont plus enlevées par le peigne du haut. Les charges restent sur la courroie dans ses parties ascendante et descendante. La force de répulsion dans la partie de la courroie montante est égale à la force de répulsion sur la partie descendante. On n'a plus à fournir de puissance. Évidemment, le moteur devra toujours fournir les pertes par friction dans le système.

Supposons qu'un générateur fonctionne à 100 kV et que le courant débité est de 0,1 ma., la puissance mécanique requise pour déplacer la courroie est alors de

100 000 x 0,001 = 10 watts

Évidemment, en plus, il faudra aussi fournir les pertes par friction dans le système.

On aura remarqué que ce système se produit de façon presque identique en usine et peut alors causer des problèmes. Ce serait le cas d'une courroie qui se déplace sur deux rouleaux. Il peut alors se produire de grandes tensions si une ou l'autre poulie est isolée. Ce serait aussi le cas d'un rouleau de papier qu'on déroule rapidement. On peut reproduire cet effet en tirant rapidement un ruban adhésif d'un rouleau. À l'occasion, en l'absence d'éclairage, on peut voir des décharges au point où le ruban se détache.

Il existe bien d'autres systèmes de génération de charges. 

Par exemple, des charges peuvent être accumulées ou déplacées par induction. La Figure 5 montre un objet A chargé positivement.

Si on approche un objet B de l'objet A, bien que le premier soit électriquement neutre, il y aura redistribution de charges. 

Les charges négatives de l'objet B sont attirées vers l'objet A et l'inverse se produit pour les charges positives. Cette redistribution se fait de façon extrêmement rapide si la tige est faite d'un matériau conducteur. La redistribution peut être très lente dans le cas d'un bon isolant.

Considérons maintenant la Figure 6. 

En l'absence des objets A et B les tiges C et D ont des charges distribuées uniformément. En approchant deux objets A et B chargés, il y a une redistribution de charges sur les deux tiges comme il est indiqué sur la figure. 

Si, maintenant, on relie les deux tiges C et D par un conducteur E comme il est indiqué en pointillé, les charges sur les extrémités F et G se déplaceront pour s'annihiler. En enlevant le conducteur E, on laissera la tige C avec une charge négative et la tige D avec une charge positive. On a ainsi chargé deux tiges par induction. 

Il existe même un générateur qui fonctionne sur ce principe d'induction; c'est le générateur Dirod. Par un système mécanique ingénieux, on répète le processus indéfiniment par rotation, en coupant et refaisant des contacts. Le même phénomène peut se produire en pratique si des objets chargés se déplacent relativement à d'autres; on induit ainsi des charges.

Il existe dans le commerce des générateurs hautes tensions. En général, on génère une haute tension alternative avec un transformateur et, ensuite, cette tension est redressée par des diodes et filtrée par des condensateurs. 

Pour diminuer le poids, ces systèmes opèrent quelquefois à hautes fréquences. 

Souvent, on utilise un système ingénieux de diodes et de condensateurs pour multiplier la tension de sortie. 

De tels systèmes sont utilisés pour produire la haute tension du tube écran d'un téléviseur ou pour les filtres électrostatiques.

 

 

Prévention

Les problèmes causés par l'électricité statique peuvent aller du simple inconvénient mineur à la conflagration. Ainsi le niveau de prévention sera fonction des conséquences et du coût. Dans plusieurs cas, on pourra accepter le problème sans rien faire pour le corriger. Dans le cas d'atmosphères possiblement explosives, il faudra prendre des moyens multiples et extrêmes, peu importe le coût. Évidemment, dans ce dernier exemple, la première solution est d'éviter le danger d'explosion par la ventilation des lieux. Si cela ne peut être fait, il faut réduire le plus possible le volume où le danger existe et réduire celui-ci au strict minimum.

Une façon de réduire les problèmes d'électricité statique est de rendre les matériaux conducteurs en les rendant humides. Généralement un niveau d'humidité relative de 70% élimine le problème. Dans certains cas, un niveau de 50% est suffisant. Dans d'autre cas, avec le Teflon et d'autres plastiques, l'eau n'est pas absorbée et on ne peut se fier qu'à l'humidité de surface. Certains de ces matériaux sont encore isolants même à des niveaux d'humidité de 90% et plus. Dépendant des circonstances, on pourra humidifier toute la pièce ou, encore, un simple jet de vapeur d'eau près de l'endroit à protéger. Cette vapeur peut provenir d'un plat d'eau bouillante. Il va de soi que, dans certaines circonstances, un haut pourcentage d'humidité n'est pas acceptable.

Une autre façon de remédier au problème est de rendre le matériau ou sa surface partiellement conductrice. Le matériau peut être rendu plus conducteur par l'ajout de fibres de métal ou des particules de carbone distribuées dans le matériau. On peut aussi traiter la surface pour la rendre plus conductrice. Cette méthode peut bien ne pas être acceptable car le produit est ainsi modifié. On aura noté que cette solution est de même nature que la précédente. Rappelons que les charges électrostatiques sont en très faible quantité et que la moindre conductivité est suffisante pour résoudre le problème.

Pour éviter les charges sur les systèmes, il suffit de rendre l'air un peu conducteur de l'électricité. Pour ce faire, on a qu'à produire des ions. Cela correspond à dissocier les molécules de sorte qu'on se retrouve avec des électrons libres et des molécules chargées positivement.

La production d'ions peut être obtenue avec une flamme, certaines sources radioactives ou avec des sources à haute tension. Dans ce dernier cas, on applique une haute tension sur des pointes. À l'extrémité de celles-ci, l'air se trouve ionisé. On utilise souvent un genre de peigne dont chacune des dents correspond à une pointe. Les ions se recombinent rapidement avec les électrons; ainsi, l'efficacité de ce système est limitée à une faible distance des pointes, généralement jusqu'à quelques dizaines de centimètres. On pourra, par exemple, placer un peigne le long de la ligne où on déroule une feuille de papier.
Cette méthode, bien que très intéressante et pratique peut être à proscrire dans certains cas. En présence d'atmosphère explosive, il peut y avoir arc électrique et explosion. De plus, le cas échéant, ces pointes peuvent représenter un danger pour le personnel.

Si des charges s'accumulent sur un objet métallique isolé du sol, on peut les éliminer facilement en reliant cet objet à la terre. Une résistance, même d'un million d'ohms, est très efficace dans ce cas. Généralement, les charges ne sont transférées qu'au taux de  10-6 coulomb par seconde (10-6 ampère) et ainsi, la tension ne serait que de 10-6 x 10+6 = 1 volt. Il va de soi que si les charges s'accumulent sur un matériau isolant, cette dernière méthode ne peut s'appliquer, à moins qu'on rende l'objet conducteur par un dépôt de surface.

À l'occasion, dans la fabrication d'objets délicats et de certains dispositifs à semi conducteurs, on désire mettre les personnes à la terre pour qu'une décharge intempestive ne vienne pas détruire les dispositifs. On le fait, par exemple, avec un collet conducteur placé sur une jambe ou autour du poignet. Dans de telles conditions, une personne qui viendrait en contact avec le 120 V serait soumise à un très grand risque d'électrocution. Pour obvier à ce risque, la mise à la terre se ait avec une résistance de 25 000 ohms ou plus. Dans ce cas, si l'électrification se produit, le courant sera limité à 120/25 000 = 0,005 A. Ce courant, bien que déplaisant à un faible degré, n'est pas mortel. On peut d'ailleurs utiliser une résistance plus élevée en autant qu'elle soit suffisamment basse pour prévenir l'accumulation de charge. Si on limite le courant à 0,001 A, le choc électrique éventuel sera imperceptible pour la majorité des gens. Ce courant correspond au seuil de perception de l'être humain.

 

 

Explosion

Nous avons déjà mentionné le danger d'ignition et d'explosion associé à l'électricité statique. Ce danger ne peut exister que dans certaines circonstances bien particulières mais qui peuvent se rencontrer en pratique. Pour que la chose soit possible il faut que toutes les conditions suivantes soient réalisées simultanément:

i) génération de charges
ii) système d'accumulation des charges
iii) l'énergie accumulée soit au-dessus du seuil d'ignition
iv) une atmosphère explosive
v) un claquage du milieu isolant, généralement le gaz ambiant

Considérons le cas d'une souris qui génère de l'électricité statique. La capacité entre une souris et une plaque à proximité peut être de l'ordre de 10-12 farad. À 10 000 V, l'énergie disponible est de

L'énergie est plus faible que celle d'ignition donnée au Tableau II. L'ignition est donc impossible ou, tout au moins, très peu probable. Par contre, la décharge au bout d'un doigt d'un être humain sur un gros objet à proximité peut conduire à une explosion en présence de vapeurs combustibles. Cependant, l'explosion en présence de poussières combustibles serait peu probable ou impossible.

Il y a lieu de signaler que, dans l'arc d'une décharge électrostatique, une partie appréciable de l'énergie est absorbée par les plaques en présence. Cela diminue le danger d'ignition. Pour ces décharges, la publication NFPA 77 du National Fire Protection Association dit que "les décharges électrostatiques qui se produisent à moins de 1500 V sont peu susceptibles de produire l'ignition en présence de vapeurs d'hydrocarbone saturées à cause de la petite distance entre les électrodes" (traduction libre). Évidemment, le danger serait très réel dans le cas d'un arc avec un courant élevé.

En présence de vapeur d'hydrocarbone, le danger d'ignition par l'électricité, autre que de sources électrostatiques, est très grande. Par exemple, l'ouverture d'un circuit même à 120 V, 1A produit une étincelle. Si l'ouverture dure une milliseconde, on peut estimer l'énergie dans l'arc produit comme environ 60 millijoule. En se référant au Tableau II, on constate que le danger est grand pour beaucoup de produits. Signalons finalement que le simple fait de frapper deux objets en pierre ou en acier peut produire l'ignition en présence de vapeur combustible. Il faudrait donc être prudent avant de pointer l'électricité statique comme cause d'ignition. Des causes plus plausibles, a priori, seraient l'ouverture d'un contact, le démarrage d'un moteur ou d'un autre dispositif électrique. Dans une résidence, un atelier, un garage, s'il y a fuite de gaz ou évaporation d'essence dans des proportions appropriées pendant un certain temps, l'ignition est presque certaine suite à l'ouverture ou la fermeture d'un interrupteur, le démarrage d'un moteur, l'opération d'un thermostat et de bien d'autres dispositifs électriques contrôlés manuellement ou de façon automatique.

 

 

Électricité statique utile

Nous avons vu que l'électricité statique peut être la source de problèmes. Nous ne voudrions pas terminer ce court exposé sans signaler quelques utilisations pratiques.

On utilise le filtre électrostatique pour filtrer l'air et enlever les particules fines en suspension. Les plus grosses particules sont enlevées par un filtre mécanique. Cette filtration se fait comme il est indiqué sur la Figure 7. Un ventilateur A pousse l'air à travers un espace où on a placé des fils tendus B à une haute tension négative. En passant entre ces fils, les particules en suspension sont chargées négativement. Par la suite, ces particules passent entre des plaques chargées positivement et les particules sont attirées et déposées sur les plaques positives. Il suffit de nettoyer ces plaques de temps à autre. Ces systèmes peuvent aussi servir à récupérer des particules en suspension qui ont une valeur commerciale. Il va de soi que les systèmes réels sont plus complexes que le système montré sur la Figure 7.

On utilise aussi les charges électrostatiques pour peindre des objets en usine. Le faisceau de peinture est chargé de sorte que les particules de peinture ont des charges négatives. Ces particules se repoussent et permettent ainsi une distribution plus uniforme. 

Par la suite, les particules sont attirées vers l'objet à peindre qui, lui, est chargé positivement. 

Dans cette dernière condition, à cause de l'attraction des particules vers l'objet à peindre, très peu de particules sont perdues et presque toutes se déposent sur l'objet.

Pour ces applications, on utilise presque toujours des générateurs à haute tension à partir de circuits électriques et non pas des générateurs électrostatiques comme celui de Van de Graaff.

Ils sont plus faciles à réaliser et leurs fonctionnement et contrôle plus sûrs.

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