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SE FEU - 02477_A_F - Rév. 1 08/06/2005 I - CHARGES ÉLECTRIQUES ................

SE FEU - 02477_A_F - Rév. 1 08/06/2005 I - CHARGES ÉLECTRIQUES ...................................................................................................... 1 1 - Électrisation d’un corps ................................................................................................................ 1 2 - Nature des charges électriques ................................................................................................... 3 3 - Force - Potentiel - Champ électrostatique.................................................................................... 6 4 - Condensateur - Énergie emmagasinée........................................................................................ 7 II - MANIFESTATION DU PHÉNOMÈNE D’ÉLECTRICITÉ STATIQUE ........................................ 8 1 - Apparition des charges électriques.............................................................................................. 8 2 - Facteurs favorisant la formation d’étincelles ................................................................................ 9 3 - Exemples typiques d’électrisations .............................................................................................. 9 4 - Types de décharge..................................................................................................................... 12 III - DANGER D’UNE DÉCHARGE ÉLECTROSTATIQUE............................................................ 14 IV - MESURES GÉNÉRALES DE PROTECTION CONTRE L’ÉLECTRICITÉ STATIQUE........... 16 1 - Mesures préventives .................................................................................................................. 16 2 - Mesures curatives ...................................................................................................................... 16 3 - Exemples de mise à la terre et liaisons équipotentielles............................................................ 20 4 - Précautions dans les opérations d’exploitation .......................................................................... 21 C C 5 5 - -2 2 ÉLECTRICITÉ INDUSTRIELLE ÉLECTRICITÉ STATIQUE Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques  2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training Ce document comporte 22 pages Ingénieurs en Sécurité Industrielle 02477_A_F 1 I - CHARGES ÉLECTRIQUES 1 - ÉLECTRISATION D’UN CORPS a - Expériences Un bâton d’ébonite, tenu à la main et frotté avec une fourrure ou avec un tissu de laine, de soie, de fibres synthétiques, acquiert la propriété d’attirer les corps légers sur la partie frottée (figure ci- dessous) ; on dit qu’il s’électrise par frottement. Le bâton d’ébonite, électrisé par frottement, attire de petits morceaux de papier. D SEC 3069 A On peut répéter l’expérience en frottant de la même façon un bâton de verre, une règle ou un stylo en matière plastique. Par exemple, si la poussière a tendance à adhérer sur la surface d’un disque de musique, c’est parce que le frottement de tête de lecture a électrisé la matière plastique du disque. D’autre part, une tige métallique, en cuivre ou en laiton, bien que très énergiquement frottée avec la même fourrure ou le même tissu, n’attire pas les corps légers lorsqu’elle est tenue à la main (figure ci- dessous) ; par contre, elle s’électrise sur toute sa surface quand on la tient par l’intermédiaire d’un manche en ébonite, en verre ou en matière plastique. D SEC 3069 B Métal Métal Poignée en ébonite C C5 5 - -2 2  2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training 02477_A_F 2 b - Interprétation On admet que les forces qui attirent ainsi de très légers objets sur les corps électrisés ont leur origine dans l’apparition, à la surface de ces corps, de petites quantités d’électricité, encore appelées des charges électriques. Dans les corps tels que l’ébonite, le verre, les matières plastiques, ces charges électriques ne peuvent pas se déplacer (ou ne se déplacent que très difficilement), on dit que ces corps sont des isolants (ou de mauvais conducteurs de l’électricité). Par contre, un métal comme le cuivre ou l’aluminium, ou encore un alliage métallique comme le laiton, les charges électriques se déplacent facilement ; on dit que ces corps sont de bons conducteurs de l’électricité ou, plus brièvement, des conducteurs. Tous les autres corps sont plus ou moins conducteurs ou plus ou moins isolants. Le corps humain, par exemple, est légèrement conducteur, c’est pourquoi un homme ressent le passage d’un courant électrique. c - Les deux espèces d’électricité En a, après avoir électrisé par frottement les extrémités E et E’ de deux bâtons d’ébonite, on place l’un de ces bâtons sur un étrier léger suspendu à un fil fin. On approche de l’extrémité électrisée E, du bâton suspendu, l’extrémité électrisée E’ de l’autre bâton : on constate qu’elles se repoussent. En b, on remplace sur l’étrier le bâton d’ébonite par un bâton de verre dont la partie V a été électrisée par frottement avec du drap, puis on approche de V l’extrémité E’ du bâton d’ébonite tenu à la main : on observe cette fois une attraction. Enfin en c, si on approche de V la partie électrisée V’ d’un autre bâton de verre tenu à la main, on observe de nouveau une répulsion. Ébonite Ébonite Ébonite Verre Verre a b c E E' E' V' V V D SEC 3070 A Ces expériences conduisent aux conclusions suivantes : - les charges électriques apparaissant sur le verre et sur l’ébonite sont d’espèces différentes. Par pure convention, il a été décidé d’appeler électricité positive celle qui apparaît sur le verre et électricité négative celle qui apparaît sur l’ébonite - deux corps chargés d’électricité de la même espèce se repoussent. Deux corps chargés d’électricité d’espèces différentes s’attirent C C5 5 - -2 2  2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training 02477_A_F 3 Il est à noter que l’électrisation d’un corps peut se faire de plusieurs façons : - par frottement comme il vient d’être vu - par contact entre un corps électrisé et un autre. Après séparation des deux corps, le second se retrouve électrisé par de l’électricité de même espèce que la première - par influence en approchant, sans le toucher, un corps électrisé d’un second corps, celui-ci se charge d’électricité d’espèce opposée à la première 2 - NATURE DES CHARGES ÉLECTRIQUES La nature de l’électricité est à rechercher dans la constitution de la matière. Tous les corps sont formés par des assemblages d’atomes, particules extrêmement petites qui se comptent par milliers de milliards dans la moindre parcelle de matière. Chaque atome est constitué par un noyau, chargé d’électricité positive, autour duquel gravitent un nombre variable d’infimes granules d’électricité négative que l’on appelle des électrons. Dans toutes les opérations ordinaires de la physique et de la chimie, les noyaux des atomes demeurent inaltérés, ils conservent donc intégralement leur charge électrique positive. Par contre, sous diverses influences, l’atome peut céder ou, au contraire, fixer un ou plusieurs électrons. À l’état normal, un atome est électriquement neutre parce que la charge négative que représente l’ensemble de ses électrons est égale en valeur absolue à la charge positive de son noyau. Si on enlève des électrons à un corps, la charge positive globale des noyaux de tous ses atomes n’est plus exactement neutralisée par la charge négative globale des électrons restants et le corps s’électrise positivement. Il s’électrise au contraire négativement si on lui apporte un supplément d’électrons. La couche externe du cortège d’électrons ne comporte jamais plus de 8 électrons et elle est très souvent incomplète. Aussi, les atomes ont-ils tendance soit à se libérer des électrons de la dernière couche lorsqu’ils sont en faible quantité (1, 2 ou 3 par exemple), soit au contraire à en capter lorsqu’ils sont en nombre proche de 8 (5, 6 ou 7 par exemple) de façon à obtenir une couche externe portant 8 électrons, comme c’est le cas pour les gaz inertes (hélium, néon, argon, krypton, xénon, radon). Ainsi, toute électrisation apparaît comme un transfert d’électrons : - une charge négative est un excès d’électrons - une charge positive est un défaut d’électrons a - Conducteurs métalliques Les métaux et leurs alliages sont constitués par un enchevêtrement de petits cristaux dans lesquels les atomes sont ordonnés géométriquement dans un réseau cristallin. Ces atomes métalliques perdent facilement un ou plusieurs électrons périphériques, qui demeurent à l’intérieur du réseau et y circulent en tous sens de façon désordonnée ; on les appelle les électrons libres du métal. Cette possibilité, pour des électrons, de se déplacer facilement dans les espaces vides qui séparent les atomes d’un métal, explique l’impossibilité d’électriser une tige métallique que l’on tient à la main. Si le frottement fait passer un excédent d’électrons sur une partie de la tige, ils se dispersent aussitôt dans le sol, par l’intermédiaire de la tige et du corps de l’expérimentateur. C C5 5 - -2 2  2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training 02477_A_F 4 b - Isolants On considère par exemple l’électrisation d’un bâton d’ébonite que l’on frotte avec un tissu de soie ; des électrons, arrachés au tissu par le frottement, passent sur le bâton ; de ce fait, l’ébonite s’électrise négativement pendant que la soie s’électrise positivement, les charges qui apparaissent ainsi de part et d’autre étant égales en valeur absolue. Le fait que l’excédent d’électrons reçu par le bâton ne s’écoule pas dans la main de l’opérateur, montre que dans un isolant les électrons ne peuvent pas se déplacer (ou ne se déplacent que très difficilement). C’est pour la même raison que les charges positives apparentes du tissu de soie restent localisées aux points où le frottement a extrait des électrons, ceux-ci ne pouvant être remplacés par des électrons provenant d’atomes voisins. Dans un isolant, il n’y a quasiment pas d’électrons libres et, de plus, ils se déplacent très difficilement. Une classification peut être faite en se basant sur les valeurs des résistivités des matériaux : - conducteurs : ρ ≅ 10–11 Ω . cm - isolants : ρ > 1011 Ω . cm Quelques valeurs de résistivité sont indiquées ci-après. Ω Ω Ω Ω . cm Hydrocarbures saturés Hexane 1 × 1018 Cyclohexane 1× 1018 Heptane 1× 1018 Autres hydrocarbures 1011 à 1015 Hydrocarbures benzéniques Benzène 2,2 × 1016 uploads/Industriel/ c5-electricite-statique.pdf