@. Ampère et l'histoire de l'électricité 

Feuilles métalliques, brins de paille, bouts de papier, matières plastiques, filet d'eau...
Pourquoi sont-ils attirés par un corps électrisé ?

Par Christine Blondel et Bertrand Wolff

Les phénomènes d'attraction électrostatique sont complexes et dans certains cas leur interprétation n'est pas complètement clarifiée [Voir dans le Laboratoire historique : Un phénomène plus complexe qu'il n'y paraît : l'attraction des corps légers ].
Cependant les cas extrêmes de l'attraction d'un corps conducteur ou d'un isolant parfait sont relativement simples.

Exercice 1 : pourquoi un corps conducteur neutre est-il attiré par un corps électrisé ? C'est l'expérience classique réalisée à l'aide d'un pendule électrostatique. Une boule conductrice très légère, par exemple une sphère S de polystyrène expansé dont on a métallisé la surface, est suspendue à un fil isolant. Lorsqu'on approche une baguette électrisée B, la sphère est attirée, quel que soit le signe de la charge portée par la baguette. Expliquer cette attraction, en utilisant les propriétés suivantes : • Dans un métal, il existe des électrons, dits "électrons libres", qui peuvent circuler librement à l'intérieur du métal. • Des charges électriques de même signe se repoussent, des charges de signe contraire s'attirent. • Ces forces d'attraction ou de répulsion sont d'autant plus intenses que les charges sont plus proches.

Solution : Choisissons le cas où la baguette B est chargée positivement. La sphère S est suspendue à un fil isolant, donc reste neutre tant qu’elle n’est pas en contact avec la baguette. Mais la distribution des charges électriques dans S est influencée par B : les électrons libres du métal sont attirés vers B et une charge négative apparaît donc du côté de S le plus proche de B. Du côté opposé à B, il se produit un déficit d'électrons, et il apparaît donc une charge positive de même grandeur. La force attractive entre les charges positives de B et les charges de la région négative de S l’emporte sur la force répulsive subie par la région positive de S, qui est plus éloignée.

Gray, Dufay, Nollet et autres "électriciens" du XVIII^e siècle, avaient constaté que la force d'attraction s'exerçant sur des feuilles d'or ou de laiton est plus intense lorsque ces feuilles métalliques sont placées sur un support conducteur plutôt que sur un support isolant. Pour l'explication de ce phénomène, voir l'exercice "Pourquoi une feuille métallique….?"

Exercice 2 : Mais comment comprendre qu'un corps isolant soit, lui aussi, attiré ?

Notons d'abord que l'attraction subie par de petits fragments d'isolants (morceaux de sacs plastique, ou de pailles en matière plastique pour boisson) est en général beaucoup plus faible que celle subie par des feuilles métalliques de même forme et même masse.

Nouvelle notion à utiliser : la polarisation des molécules.
Dans les matières plastiques (polymères synthétiques) les électrons ne sont pas libres de circuler comme dans les métaux. Ils restent liés aux molécules du polymère. C'est pourquoi ces corps sont isolants. Mais les molécules constituant les polymères synthétiques peuvent se polariser : sous l'influence d'un corps électrisé les électrons ne quittent pas la molécule mais ils se déplacent légèrement à l'intérieur de cette molécule. Cet effet est très faible mais concerne un nombre considérable de molécules.

Expliquez l'attraction F représente une très longue molécule. Reprendre le raisonnement de l'exercice précédent, en remplaçant la sphère S par la molécule F, puis en généralisant à toutes les molécules du fragment d'isolant. Solution : Les électrons de la molécule F étant attirés par la baguette B, le côté de la molécule le plus proche de B devient légèrement négatif, et son côté opposé légèrement positif. Si l'on fait le bilan sur le très grand nombre de molécules du fragment d'isolant, on retrouve pour ce dernier une situation analogue à celle décrite pour la sphère S conductrice, mais avec des charges en général beaucoup plus faibles.

Et l'attraction des bouts de papier, des brins de paille et du filet d'eau ?

L'attraction de bouts de papier ou de brins de paille est connue depuis plusieurs siècles. Ces corps sont souvent attirés presqu'aussi fortement que des feuilles métalliques. L'expérience spectaculaire de l'attraction d'un filet d'eau est quant à elle facile à proposer aux élèves : frottez énergiquement une bouteille de matière plastique vide et sèche, puis approchez-là d'un fin filet d'eau coulant d'un robinet. Vous verrez celui-ci dévier de la verticale, vers la bouteille.
[Voir la vidéo Déviez un filet d'eau à distance ! ]

Les bouts de papier ou de paille, ainsi que l'eau, sont souvent considérés comme des isolants car c'est ainsi qu'ils se comportent en électrocinétique. Pour le papier ou la paille, on explique parfois leur attraction par une polarisation induite, conformément au mécanisme d écrit dans l'exercice 2.

Dans le cas de l'eau, les molécules H₂0 sont naturellement polaires. Selon une interprétation souvent proposée dans l'enseignement universitaire, l'attraction serait due à une orientation de ces molécules polaires par le champ électrique.

Les choses sont en fait plus complexes et ces questions sont discutées dans la page Un phénomène plus complexe qu'il n'y paraît....

Il en ressort que de nombreux corps considérés comme des isolants sont tant soit peu conducteurs en électrostatique. Même certaines des matières plastiques évoquées dans l'exercice 2 peuvent être rendues légèrement conductrices par une humidification de surface et des impuretés. L'explication des phénomènes reste dans certains cas incertaine.
On peut réaliser en classe quelques expériences simples décrites dans le Laboratoire historique, comme la décharge d'un électroscope à travers divers corps, pour constater que de nombreux supposés "isolants" – divers types de papier ou carton par exemple - se comportent en électrostatique comme des conducteurs.

Il nous semble particulièrement stimulant de montrer aux élèves que des questions fort anciennes sont encore l'objet de discussions pour les chercheurs.