Triboélectricité - Définition

Introduction

La triboélectricité (du grec tribein qui signifie frotter) désigne le phénomène électrostatique par lequel lorsque l'on met en contact deux matériaux de nature différente, une partie des électrons de la surface de contact d'un des deux matériaux est transféré à l'autre, et ce transfert subsiste lors de la séparation. L'effet triboélectrique peut être augmenté si l'on fournit de l'énergie mécanique en frottant les matériaux l'un contre l'autre.

Paramètres pertinents

La quantité de charges électriques transférée dépend :

• de la nature des deux matériaux (qui définit aussi leur signe relatif),
• et de la surface de contact.

Pour le premier de ces paramètres, on définit des séries triboélectriques, c’est-à-dire des listes ordonnées de matériaux : la position relative définit le signe des charges, et la « distance » au sein de la liste donne une idée de l'importance de l'échange. Soit dit en passant, le côté empirique de la démarche montre l'effort gigantesque restant à accomplir pour réellement comprendre le phénomène au lieu de juste le décrire.

Pour le second paramètre, et à la condition que l'un au moins des deux matériaux soit un isolant, rien n'empêche de « réutiliser » plusieurs fois la même surface :

• soit en frottant les deux matériaux l'un sur l'autre,
• soit en faisant « recirculer » une des surfaces (disque en rotation, courroie, etc.).

Quelques chiffres

Suites et conséquences

Une fois les charges créées (ou, plus exactement, séparées), tout dépend de la configuration :

• soit les deux matériaux sont conducteurs, avec un chemin conducteur qui les réunit : les charges « font le tour », se neutralisent mutuellement, et les choses en restent là,
• soit un au moins des matériaux est isolant, auquel cas les charges sont régies par les lois de l'électricité statique.
• soit, enfin, cas intermédiaires, les deux matériaux sont conducteurs, mais isolés : on retrouve le cas précédent, à ceci près qu'il n'y a plus rien à attendre d'un frottement de « réutilisation des surfaces », les « anciennes » charges étant neutralisées lors de la fabrication des « nouvelles ». La quantité globale de charges est donc beaucoup plus faible.

Cas d'un isolant dans l'air

Dans ce cas (ce qui est, in fine, le cas le plus « classique »), la tension atteinte dépend des paramètres suivants :

• La résistivité : il n'y a pas d'isolant parfait. Tôt ou tard, on atteint une tension U telle que le taux de création de charge par unité de temps (autrement dit, le courant…) est égal au ratio U/R, où R est la résistance électrique (en ohms) de l'objet chargé par rapport à un potentiel de référence. La résistivité dépend, entre autres :

• de la température (une flamme est conductrice…),
• du dépôt éventuel de substances plus conductrices, en surface ou pénétrant dans l'épaisseur (p. ex., pollution),

• La capacité : l'objet chargé possède une capacité par rapport au « reste de l'univers ». Plus la capacité de ce condensateur sera élevée, plus il faudra y accumuler de charges pour voir la tension augmenter, selon la formule U = Q/C, ou Q est la charge (en coulombs), C la capacité (en farads) et U la tension (en volts)
• La forme : conformément au lois de l'électricité statique, pour un potentiel donné, le champ dépend du rayon de courbure géométrique local. Plus concrètement, le champ est maximal au voisinage d'une pointe. S'il est suffisant pour ioniser l'air, on aura :

• en l'absence de chemin de décharge à faible distance, une décharge par effet Couronne (ou Corona),
• ou une étincelle.

• la triboélectricité : ça marche dans les deux sens. Le champ, même s'il ne suffit pas à provoquer une ionisation, suffira à mettre en mouvement les poussières et les molécules polaires (ou polarisables par un champ), créant un « vent électrique ». Ces poussières et molécules, au contact du matériau chargé, recevront quelques unes de ces charges et les enverront au loin (même si les charges ne sont pas, au départ, générées par tribo-électricité; c'est le principe de fonctionnement des ioniseurs).

Devenir de la charge créée

En fonction de ces paramètres et de leur évolution dans le temps, elle peut :

• demeurer intacte, défiant les siècles et les millénaires, certaines configurations constituant des électrets, particulièrement quand la charge est « enkystée » dans l'épaisseur du matériau,
• être dissipée, en quelques jours ou quelques millisecondes : c'est le rêve de tous ceux qui redoutent le cas suivant, et c'est l'objectif de tout un accastillage industriel (bracelets « conducteurs », sols et mobiliers dissipatifs, humidificateurs, ioniseurs, etc.),
• être dissipée brutalement, en quelques nanosecondes, au contact d'un conducteur refermant le circuit (avec ou sans étincelle) : c'est la redoutable décharge électrostatique (alias DES, ou ESD en anglais) :

• c'est elle qui nous vaut de mémorables « châtaignes » en descendant de voiture un jour de beau froid sec (un pneu isolant sec accumulant les hectares de surface de contact sur une route isolante sèche, alors que l'atmosphère sèche dissipe mal les charges accumulées dans la carrosserie),
• la « châtaigne », vous la partagerez aussi avec le chat venu vous faire une démonstration d'affection, qui commence par une séance de frottement de son poil particulièrement optimisé du point de vue tribo-électrique, pour s'achever au premier coup de langue râpeuse (le choc nuit à la spontanéité de ses élans ultérieurs ; comme dit l'histoire bien connue : « le chat est un bon conducteur de l'électricité, mais il n'aime pas beaucoup cela »),
• on peut passer des sensations fortes au simple spectacle en ôtant, dans l'obscurité, un vêtement chargé (laine ou, mieux, matériau 100% synthétique),
• les conséquences peuvent être plus graves, par exemple des mauvais fonctionnements ou des pannes d'appareils électroniques. Dans certains cas, une décharge électrostatique peut même tuer…