L'électricité statique fait référence à une accumulation de charges électriques à l'intérieur ou à la surface d'un matériau. Cette charge persiste jusqu'à ce qu'elle puisse se dissiper par un courant électrique ou une décharge électrique. Le terme « statique » distingue ce phénomène de l'électricité actuelle, qui implique le flux d'une charge électrique à travers un conducteur.
L'électricité statique est un déséquilibre des charges électriques à l'intérieur ou à la surface d'un matériau. La charge reste jusqu'à ce qu'elle puisse s'éloigner sous forme de courant électrique ou par décharge électrique. Le mot « statique » est utilisé pour le différencier de l'électricité actuelle, où une charge électrique circule à travers un conducteur électrique.
La génération d'une charge électrique statique se produit lorsque deux surfaces entrent en contact, glissent l'une contre l'autre, puis se séparent. Les manifestations de l'électricité statique sont largement reconnues, car les individus peuvent percevoir, détecter de manière audible et même observer visuellement des étincelles lorsqu'une charge accumulée est neutralisée par la proximité d'un conducteur électrique (par exemple, un chemin de terre) ou d'une zone possédant une charge excessive de polarité opposée. L'expérience courante d'un choc statique, plus précisément appelé décharge électrostatique, résulte de ce processus de neutralisation des charges.
Mécanismes de séparation des charges
Les structures atomiques présentent généralement une neutralité électrique, comprenant une quantité équivalente de charges positives (protons dans le noyau) et de charges négatives (électrons en orbite dans des coquilles). L'apparition d'électricité statique nécessite la ségrégation de ces charges positives et négatives. Au contact de deux matériaux distincts, les électrons peuvent migrer d’un matériau à l’autre, entraînant un surplus de charge positive sur le matériau donneur et une charge négative équivalente sur le matériau receveur. Cette disparité de charge est maintenue lors de la séparation des matériaux. De plus, le transfert d'ions peut également contribuer à ce processus.
Séparation de charge induite par contact
L'échange d'électrons ou d'ions entre matériaux lors d'un contact ou d'un glissement relatif constitue l'effet triboélectrique, conduisant un matériau à acquérir une charge positive et l'autre une charge négative. Ce phénomène triboélectrique représente le principal mécanisme d'électricité statique observé dans des contextes quotidiens et dans des démonstrations pédagogiques typiques impliquant la friction entre des matériaux disparates (par exemple, une fourrure frottée contre une tige en acrylique). Une telle séparation de charges induite par contact est responsable de phénomènes tels que l'horripilation (cheveux dressés) et « l'adhérence statique » (par exemple, un ballon chargé négativement en frottant contre les cheveux sera attiré par des particules chargées positivement dans un mur voisin, lui permettant d'adhérer contre la force gravitationnelle).
Séparation de charge induite par la pression
L'application de contraintes mécaniques induit une polarisation électrique, qui peut ensuite entraîner une séparation des charges au sein de différents types de matériaux. Les porteurs libres de surface agissent alors pour contrebalancer la polarisation générée par ces déformations.
Séparation de charge induite par la chaleur
L'apport d'énergie thermique est capable de générer une polarisation électrique, ce qui facilite par conséquent la séparation des charges dans des matériaux spécifiques. Il est à noter que tous les matériaux pyroélectriques possèdent intrinsèquement des propriétés piézoélectriques et manquent de symétrie d'inversion.
Séparation de charges induite par charge
Lorsqu'une entité chargée est amenée à proximité d'un objet conducteur électriquement neutre, elle induit une redistribution de charge au sein de l'objet neutre, un phénomène appelé induction électrostatique. Les charges possédant la même polarité que la charge externe sont repoussées et migrent vers le côté distal de l'objet, tandis que les charges de polarité opposée sont attirées et s'accumulent du côté faisant face à la charge externe. Étant donné que la force électrostatique diminue rapidement avec l’augmentation de la distance, l’influence des particules les plus proches et chargées de manière opposée prédomine, ce qui entraîne une force d’attraction entre les deux objets. La mise à la terre stratégique d'une partie d'un objet peut faciliter l'ajout ou la suppression permanente d'électrons, conférant ainsi une charge globale durable à l'objet.
Atténuation et prévention
La dissipation ou l'inhibition de l'accumulation de charge statique peut être obtenue grâce à des méthodes simples, telles que la ventilation d'une zone ou l'utilisation d'un humidificateur pour élever les niveaux d'humidité atmosphérique, améliorant ainsi la conductivité de l'air. Les ioniseurs d'air remplissent une fonction similaire à cet égard.
Les matériaux très sensibles aux décharges électrostatiques peuvent être traités avec des agents antistatiques. Ces agents appliquent une couche superficielle conductrice qui facilite la répartition uniforme de toute charge excédentaire. Les assouplissants textiles et les feuilles assouplissantes, couramment utilisés dans les appareils de blanchisserie, sont des exemples d'agents antistatiques utilisés pour inhiber et éliminer l'adhérence statique.
Les composants électroniques, en particulier les dispositifs à semi-conducteurs, présentent une grande sensibilité aux décharges statiques. Pour protéger ces composants délicats, des sacs conducteurs antistatiques sont couramment utilisés. De plus, les personnes travaillant avec des circuits contenant de tels dispositifs utilisent fréquemment des sangles conductrices antistatiques à des fins de mise à la terre.
Dans les environnements industriels, notamment les installations de fabrication de peinture et de farine, et dans les établissements de soins de santé, des bottes de sécurité antistatiques sont occasionnellement portées pour atténuer l'accumulation de charges statiques résultant du contact avec le sol. Ces chaussures spécialisées sont dotées de semelles hautement conductrices. Il est crucial de distinguer les chaussures antistatiques des chaussures isolantes, car ces dernières offrent un avantage contrasté : une protection contre les chocs électriques graves dus à la tension du secteur.
Dans les assemblages de câbles et les fils conducteurs médicaux, le bruit triboélectrique provient du frottement entre les conducteurs, l'isolation et les charges lorsque le câble fléchit pendant le mouvement. Bien que fréquemment appelé bruit de manipulation ou bruit de câble, ce signal indésirable est plus précisément appelé bruit triboélectrique. La présence d'un tel bruit dans les câbles ou les fils peut empêcher la mesure précise des signaux de faible niveau. Par exemple, le bruit triboélectrique dans un électrocardiogramme (ECG) ou d’autres signaux médicaux peut compliquer, voire exclure un diagnostic précis. Le maintien du bruit triboélectrique dans des limites acceptables nécessite une sélection, une conception et des processus de fabrication méticuleux pour les matériaux des câbles.
Décharge statique
L'étincelle caractéristique de l'électricité statique résulte d'une décharge électrostatique, ou décharge statique, qui se produit lorsqu'une charge excessive est neutralisée par un flux de charges vers ou depuis l'environnement environnant.
La sensation de choc électrique résulte de la stimulation nerveuse lorsque le courant électrique traverse le corps humain. L'énergie accumulée sous forme d'électricité statique sur un objet dépend de sa taille, de sa capacité, de la tension de charge et de la constante diélectrique du milieu ambiant. Dans les modèles évaluant l’impact des décharges électrostatiques sur les appareils électroniques vulnérables, le corps humain est souvent conceptualisé comme un condensateur de 100 picofarad chargé entre 4 000 et 35 000 volts. Au contact d’un objet, cette énergie stockée se décharge en moins d’une microseconde. Malgré l'énergie totale relativement faible, généralement de l'ordre du millijoule, elle peut néanmoins endommager les composants électroniques sensibles. Les objets plus gros accumulent plus d'énergie, posant potentiellement des dangers directs en cas de contact humain ou générant des étincelles capables d'enflammer des gaz ou des poussières inflammables.
Foudre
La foudre représente une puissante manifestation naturelle de décharge statique. Bien que les mécanismes précis restent un sujet de discussion scientifique en cours, on suppose que la séparation initiale des charges proviendrait d'interactions entre les particules de glace au sein des nuages d'orage. En général, des accumulations de charges importantes ne peuvent perdurer que dans des environnements caractérisés par une faible conductivité électrique, où les charges mobiles sont rares. Par conséquent, la neutralisation de ces charges implique fréquemment l’ionisation d’atomes et de molécules neutres dans l’air, qui se séparent en charges positives et négatives. Ces charges se déplacent ensuite dans des directions opposées, formant un courant électrique qui dissipe l’accumulation initiale de charges. La charge statique dans l'atmosphère se décompose généralement à environ 10 000 volts par centimètre (10 kV/cm), avec des variations influencées par l'humidité. Cette décharge surchauffe l'air ambiant, générant un éclair brillant et une onde de choc qui produit un son retentissant. Un éclair est essentiellement une version amplifiée des étincelles observées lors d’événements de décharge statique plus courants. Le flash visible résulte de l’émission incandescente de lumière par l’air à l’intérieur du canal de décharge, qui est chauffé à des températures extrêmes. Le coup de tonnerre qui l'accompagne est provoqué par l'onde de choc générée par la expansion rapide de cet air surchauffé.
Composants électroniques
De nombreux dispositifs semi-conducteurs utilisés en électronique présentent une extrême sensibilité à l'électricité statique et sont susceptibles d'être endommagés par une décharge statique. Pour les chercheurs manipulant des nanodispositifs, le port obligatoire d’une sangle antistatique est imposé. Des mesures préventives supplémentaires incluent le retrait des chaussures à semelles épaisses en caoutchouc et le maintien d'un contact continu avec un sol métallique.
Accumulation statique dans des matériaux inflammables et inflammables en écoulement
La décharge d'électricité statique présente des risques importants dans les industries qui manipulent des substances inflammables, car même une légère étincelle électrique peut déclencher l'inflammation de mélanges explosifs.
Le mouvement de substances finement pulvérisées ou de fluides à faible conductivité dans des tuyaux ou via une agitation mécanique peut entraîner l'accumulation d'électricité statique. Le flux de matériaux granulaires, tel que le sable traversant une goulotte en plastique, peut transférer une charge, qui est quantifiable à l'aide d'un multimètre connecté à une feuille métallique placée périodiquement le long de la goulotte, et est souvent en corrélation avec les débits de particules. Les nuages de poussière composés de matériaux finement pulvérisés peuvent devenir combustibles ou explosifs. Des cas de décharges statiques dans des nuages de poussière ou de vapeur ont entraîné des explosions. Les incidents industriels notables attribués aux décharges électrostatiques comprennent l'explosion d'un silo à grains dans le sud-ouest de la France, l'explosion d'une usine de peinture en Thaïlande, l'explosion d'une usine de moulage de fibre de verre au Canada, l'explosion d'un réservoir de stockage à Glenpool, Oklahoma en 2003, et des incidents impliquant une opération de remplissage de réservoirs portables et un parc de stockage à Des Moines, Iowa, et à Valley Center, Kansas en 2007.
La capacité d'un fluide à retenir une charge électrostatique dépend directement de sa conductivité électrique. Lorsque des fluides à faible conductivité traversent des pipelines ou subissent une agitation mécanique, un phénomène de séparation de charges induit par contact, appelé électrification du flux, se produit. Les fluides possédant une conductivité électrique inférieure à 50 picosiemens par mètre sont classés dans la catégorie des accumulateurs. A l’inverse, les fluides dont la conductivité dépasse 50 pS/m sont classés comme non-accumulateurs. Dans les non-accumulateurs, les charges se recombinent aussi rapidement qu'elles sont séparées, empêchant ainsi une accumulation significative de charges électrostatiques. Dans l'industrie pétrochimique, une conductivité électrique minimale de 50 pS/m est recommandée pour une dissipation efficace des charges d'un fluide.
Les kérosènes présentent généralement une conductivité électrique allant de moins de 1 picosiemens par mètre à 20 pS/m. À des fins de comparaison, l'eau déminéralisée possède une conductivité approximative de 10 000 000 pS/m, ou 10 μS/m.
L'huile de transformateur constitue un composant intégral du système d'isolation électrique des grands transformateurs de puissance et autres appareils électriques. Le remplissage d'équipements importants nécessite des précautions contre la charge électrostatique du fluide, qui pourrait potentiellement compromettre l'isolation sensible du transformateur.
Un concept crucial pour les fluides isolants est le temps de relaxation statique, qui est analogue à la constante de temps τ (tau) d'un circuit RC. Pour les matériaux isolants, elle est définie comme le rapport entre la constante diélectrique statique et la conductivité électrique du matériau. Pour les fluides hydrocarbonés, cette valeur est parfois approximée en divisant 18 par la conductivité électrique du fluide. Par conséquent, un fluide ayant une conductivité électrique de 1 pS/m a un temps de relaxation estimé à environ 18 secondes. La charge excédentaire dans un fluide se dissipe presque entièrement après quatre à cinq fois son temps de relaxation, ce qui équivaut à 90 secondes pour l'exemple de fluide susmentionné.
La génération de charge s'intensifie avec des vitesses de fluide plus élevées et des diamètres de tuyaux plus grands, devenant particulièrement importante dans les tuyaux mesurant 8 pouces (200 mm) ou plus. Une gestion efficace de la génération de charges statiques dans ces systèmes est principalement obtenue en limitant la vitesse du fluide. La norme britannique BS PD CLC/TR 50404:2003 (anciennement BS-5958-Part 2), un code de bonnes pratiques pour le contrôle de l'électricité statique indésirable, prescrit des limites spécifiques pour la vitesse d'écoulement des canalisations. Étant donné l'influence substantielle de la teneur en eau sur la constante diélectrique d'un fluide, la vitesse recommandée pour les fluides d'hydrocarbures contenant de l'eau doit être limitée à 1 mètre par seconde.
La liaison et la mise à la terre représentent les méthodes conventionnelles pour atténuer l'accumulation de charges. Cependant, pour les fluides ayant une conductivité électrique inférieure à 10 pS/m, la liaison et la mise à la terre sont insuffisantes pour une dissipation efficace des charges, ce qui nécessite l'inclusion potentielle d'additifs antistatiques.
Opérations de ravitaillement
Le mouvement de liquides inflammables, tels que l'essence, dans un tuyau peut entraîner l'accumulation d'électricité statique. Les liquides non polaires, notamment l'essence, le toluène, le xylène, le diesel, le kérosène et les pétroles bruts légers, démontrent une capacité substantielle d'accumulation et de rétention de charge dans des conditions d'écoulement à grande vitesse. Les décharges électrostatiques présentent un risque d'inflammation des vapeurs de carburant. Lorsque l’énergie de la décharge électrostatique est d’une ampleur suffisante, elle peut enflammer un mélange de vapeur de carburant et d’air. Différents carburants possèdent des limites d'inflammabilité distinctes et nécessitent différents seuils d'énergie de décharge électrostatique pour l'inflammation.
Les décharges électrostatiques (ESD) présentent un risque important lors des opérations de ravitaillement en essence dans les stations-service. De même, des incendies se sont déclarés dans les aéroports lors du ravitaillement en kérosène des avions. La mise en œuvre de technologies de mise à la terre avancées, l'utilisation de matériaux conducteurs et l'incorporation d'additifs antistatiques contribuent à prévenir ou à disperser en toute sécurité l'accumulation d'électricité statique. Il est recommandé aux consommateurs qui ont l'intention de remplir des conteneurs portables dans les stations-service de placer initialement ces conteneurs sur le sol, permettant ainsi à toute charge statique accumulée de se dissiper en toute sécurité, atténuant ainsi le risque d'incendie ou d'explosion.
Le simple flux de gaz dans les pipelines génère une électricité statique minime, voire inexistante. On suppose que les mécanismes de génération de charges sont principalement activés lorsque des particules solides ou des gouttelettes de liquide sont entraînées dans le flux gazeux.
Dans le contexte de l'exploration spatiale
L'humidité exceptionnellement faible qui prévaut dans les environnements extraterrestres facilite l'accumulation de charges statiques importantes, présentant un risque considérable pour les systèmes électroniques sophistiqués utilisés dans les véhicules d'exploration spatiale. L'électricité statique est considérée comme un danger spécifique pour les astronautes participant à de futures missions sur la Lune et sur Mars. Traverser le terrain aride lunaire ou martien pourrait entraîner une accumulation importante de charge électrique sur leur personne ; Par conséquent, tendre la main pour ouvrir un sas à leur retour pourrait déclencher une décharge statique importante, compromettant potentiellement les composants électroniques délicats.
Fissuration induite par l'ozone
L'apparition d'une décharge statique dans une atmosphère contenant de l'air ou de l'oxygène peut générer de l'ozone, une substance capable de dégrader les composants en caoutchouc. De nombreux élastomères sont sensibles à la fissuration par l'ozone. L'exposition à l'ozone entraîne la formation de fissures profondes et pénétrantes dans des pièces essentielles telles que les joints et les joints toriques. Les conduites de carburant sont également vulnérables à ce problème à moins que des mesures préventives proactives ne soient mises en œuvre. De telles mesures comprennent l'incorporation d'antiozonants dans le composé de caoutchouc ou l'utilisation d'un élastomère intrinsèquement résistant à l'ozone. Les incendies provenant de conduites de carburant fissurées ont toujours posé un problème dans les véhicules, en particulier dans les compartiments moteur où les appareils électriques peuvent produire de l'ozone.
Énergies associées
L'énergie dissipée lors d'une décharge d'électricité statique peut présenter une variabilité considérable. L'énergie, exprimée en joules, est quantifiable à l'aide de la capacité de l'objet (C) et de son potentiel statique V en volts (V), selon la formule E = ½CV§89§. Un chercheur a estimé la capacité du corps humain à 400 picofarads, avec un potentiel de 50 000 volts, qui, lorsqu'elle est déchargée (par exemple en touchant une automobile chargée), pourrait générer une étincelle possédant 500 millijoules d'énergie. Une évaluation distincte suggère une plage de 100 à 300 pF et 20 000 volts, produisant une énergie maximale de 60 mJ. La norme CEI 479-2:1987 précise qu'une décharge supérieure à 5 000 mJ constitue un danger direct et grave pour la santé humaine. De plus, la norme CEI 60065 stipule que les produits de consommation ne doivent pas décharger plus de 350 mJ sur un individu.
Le potentiel maximum réalisable est limité à environ 35 à 40 kV, principalement parce que la décharge corona dissipe efficacement la charge à des potentiels plus élevés. Les potentiels inférieurs à 3 000 volts sont généralement imperceptibles pour les humains. Le potentiel maximal couramment atteint sur le corps humain se situe généralement entre 1 et 10 kV, bien que dans des conditions optimales, des valeurs aussi élevées que 20 à 25 kV puissent être observées. Une humidité relative réduite exacerbe l’accumulation de charges ; par exemple, traverser 20 pieds (6 m) sur un sol en vinyle dans un environnement avec 15 % d'humidité relative peut entraîner une accumulation de tension allant jusqu'à 12 kV, alors qu'à 80 % d'humidité, l'accumulation de tension n'est que de 1,5 kV.
Un niveau d'énergie aussi bas que 0,2 millijoules peut présenter un risque d'inflammation ; notamment, cette énergie d'étincelle minimale tombe fréquemment en dessous du seuil de détection visuelle et auditive humaine.
Les énergies d'allumage caractéristiques comprennent :
- 0,017 mJ pour l'hydrogène ;
- 0,2 à 2 mJ pour les vapeurs d'hydrocarbures ;
- 1 à 50 mJ pour les poussières fines inflammables ;
- 40 à 1 000 mJ pour les poussières grossières inflammables.
L'énergie requise pour infliger des dommages à la majorité des appareils électroniques varie de 2 à 1 000 nanojoules.
L'allumage d'un mélange air-carburant inflammable nécessite généralement un apport d'énergie relativement modeste, allant souvent de 0,2 à 2 millijoules. Pour les gaz et solvants d'hydrocarbures industriels courants, l'énergie minimale d'inflammation (MIE) pour un mélange vapeur-air est la plus faible lorsque la concentration de vapeur se rapproche du point médian entre les limites d'explosivité inférieure et supérieure ; ce besoin énergétique augmente fortement à mesure que la concentration s'écarte de cette plage optimale. Les aérosols liquides inflammables peuvent s'enflammer à des températures nettement inférieures à leur point d'éclair. En règle générale, les aérosols liquides dont la taille des particules est inférieure à 10 micromètres présentent un comportement semblable à celui des vapeurs, tandis que ceux dont la taille des particules dépasse 40 micromètres ressemblent davantage à des poussières inflammables. Les concentrations minimales inflammables caractéristiques des aérosols se situent généralement entre 15 et 50 g/m3. De même, la présence de mousse à la surface d'un liquide inflammable améliore considérablement son inflammabilité. Les aérosols de poussières inflammables sont également susceptibles de s'enflammer, entraînant des explosions de poussières ; leur limite inférieure d'explosivité (LIE) varie généralement de 50 à 1 000 g/m3, les poussières plus fines présentant généralement une plus grande explosivité et nécessitant moins d'énergie d'étincelle pour l'amorçage. La présence simultanée de vapeurs et de poussières inflammables peut réduire considérablement l'énergie d'inflammation ; par exemple, seulement 1 % en volume de propane dans l'air peut diminuer l'énergie nécessaire à l'inflammation des poussières d'un facteur 100. Des concentrations élevées d'oxygène dans l'atmosphère contribuent également à une réduction substantielle de l'énergie d'inflammation.
Les décharges électriques sont classées en cinq types distincts :
Les- Décharges d'étincelles représentent la part prédominante des incendies et explosions industriels attribués à l'électricité statique. Ces décharges se manifestent entre des objets possédant des potentiels électriques différents. Les stratégies préventives impliquent une mise à la terre complète de tous les composants de l'équipement et la mise en œuvre de mesures pour atténuer l'accumulation de charges sur l'équipement et le personnel. Les
- décharges en brosse émanent de surfaces non conductrices chargées ou de liquides non conducteurs hautement chargés, leur énergie étant généralement plafonnée à environ 4 millijoules. Pour qu'une décharge en brosse présente un danger, plusieurs conditions doivent être remplies : la tension doit dépasser environ 20 kilovolts, la polarité de la surface doit être négative, une atmosphère inflammable doit exister à l'emplacement de décharge et l'énergie de décharge doit être suffisante pour l'inflammation. De plus, en raison de la densité de charge maximale des surfaces, une surface d'au moins 100 cm2 doit être impliquée. Ces rejets ne sont généralement pas considérés comme un risque pour les nuages de poussière. Les
- décharges de broussailles se caractérisent par une énergie élevée et un danger important. Ils surviennent lorsqu'une surface isolante, jusqu'à 8 mm d'épaisseur (telle qu'un revêtement en téflon ou en verre dans un tuyau ou un réacteur métallique mis à la terre), subit une accumulation de charge substantielle entre ses surfaces opposées, fonctionnant efficacement comme un condensateur de grande surface. Les
- décharges coniques, également appelées décharges groupées en brosse, se manifestent sur les surfaces des poudres chargées présentant une résistance supérieure à 1010 ohms, ou au plus profond de la masse de poudre elle-même. Ces rejets ne sont généralement pas observés dans des volumes de poussières inférieurs à 1 m§67§. L'énergie associée aux décharges coniques dépend de la taille des grains de la poudre et de l'ampleur de la charge, pouvant atteindre jusqu'à 20 mJ. Des volumes de poussière plus importants sont corrélés à la génération d'énergies plus élevées. Les
- Les décharges corona sont généralement considérées comme non dangereuses.
- Charge électrique
- Générateur électrostatique
- Effet triboélectrique
- Machine de Wimshurst
Références
- Médias liés à l'électricité statique sur Wikimedia Commons
- La définition du dictionnaire de électricité statique sur Wiktionnaire