Triboélectricité

La quantité de charges électriques transférée dépend :

• de la nature des deux matériaux (qui définit aussi leur signe relatif) ;
• 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.

Pour le second paramètre, si au moins un des deux matériaux est un isolant, ils peuvent être utilisés à plusieurs reprises :

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

Deux cas sont possibles :

Si les deux matériaux sont conducteurs et reliés électriquement : alors les charges peuvent se rejoindre et se neutraliser. Si au moins un des matériaux est isolant, alors les charges sont régies par les lois de l'électricité statique.

Si 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.

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

• la résistivité car il n'y a en effet pas d'isolant parfait et il est toujours possible d'atteindre une tension U telle que le taux de création de charge par unité de temps (autrement dit, le courant) soit 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) et du dépôt éventuel de substances plus conductrices, en surface ou pénétrant dans l'épaisseur (ex. : pollution) ;
• l'objet chargé se comporte comme un condensateur et possède une capacité. Plus elle est élevée et plus le nombre de charge pouvant s'y accumuler est important. La tension évolue alors selon la formule ${\displaystyle U=Q/C}$, où Q est la charge (en coulombs), C la capacité (en farads) et U la tension (en volts) ;
• la forme géométrique de l'objet, conformément aux lois de l'électricité statique. Le placement des lignes de champ dépend du rayon de courbure géométrique local. Le champ est alors maximal au voisinage d'une pointe, c'est l'effet de bord. S'il est suffisant pour ioniser l'air, il peut provoquer en l'absence de chemin de décharge à faible distance, une décharge par effet Couronne (ou Corona), sinon une étincelle ;
• la triboélectricité : cela fonctionne 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).

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 l'objectif de certains équipements industriels (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 décharge électrostatique (alias DES, ou ESD en anglais)

Cette dissipation brutale peut se produire par exemple, en ôtant un vêtement chargé (laine ou matériau 100 % synthétique); en caressant un chat, dont le frottement de son poil est particulièrement optimisé du point de vue tribo-électrique; ou bien en descendant de voiture un jour de froid sec. En effet le 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. Cependant 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.

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