Lévitation sonore : un schéma prévisible dans la charge statique des particules
Lorsque deux particules rebondissent l'une contre l'autre à de nombreuses reprises, chaque collision transfère entre elles une quantité imprévisible de charge électrique, mais le total suit un schéma clair. C'est la conclusion de physiciens de l'Université de Bristol, dirigés par Tom O'Hara, qui ont étudié les collisions répétées de deux particules maintenues dans l'air par le son. Le résultat a été publié le 23 octobre dans Physical Review E sous le titre « It takes two to tribo: Stochastic charge evolution in repeated binary collisions of acoustically levitated particles » (Il faut être deux pour la triboélectricité : évolution stochastique de la charge lors de collisions binaires répétées de particules en lévitation acoustique).
Un effet ancien, encore mal compris
La charge triboélectrique, le processus qui génère l'électricité statique, se produit chaque fois que deux objets se touchent puis se séparent : ils échangent de la charge, dont le signe et la grandeur dépendent des matériaux concernés. « La charge triboélectrique est connue depuis l'époque de Platon, mais les mécanismes fondamentaux qui régissent le transfert de charge restent incomplètement compris », explique O'Hara. « C'est particulièrement important pour les poudres isolantes, où la grande surface permet d'accumuler de grandes quantités de charge superficielle. »
L'effet apparaît dans les cendres volcaniques, les tempêtes de poussière et les nuages d'orage, où l'accumulation de charge finit par produire un éclair. C'est aussi un risque dans l'industrie, où la charge peut enflammer des poussières ou des nuages de vapeur inflammables. Comme ces systèmes impliquent un nombre énorme de collisions dans des conditions variables, il est très difficile d'isoler ce qui se passe lors d'une seule collision.
Comment ils ont procédé
En 2017, une équipe de Bristol a construit TinyLev, un lévitateur acoustique bon marché fabriqué avec des pièces du commerce, capable de piéger des objets comme des sphères de silice, des gouttes d'eau et de petits insectes. Le nouveau dispositif, MultiLev, en est une version plus contrôlable. Il piège deux particules de polystyrène et les fait entrer en collision de façon répétée.
Le montage comprend deux cages de Faraday se faisant face, qui mesurent la charge d'une particule placée à l'intérieur en détectant le courant qu'elle induit à l'aide d'un picoampèremètre sensible. Les cages sont faites d'un grillage métallique dont l'espacement a été soigneusement choisi, de sorte que les ondes sonores utilisées pour la lévitation les traversent. Cela a permis aux chercheurs de faire léviter chaque particule dans sa propre cage, d'ajuster le champ acoustique pour rapprocher les particules entre les cages, puis de ramener chaque particule dans sa cage pour mesurer la charge transférée lors de la collision.
Des pas aléatoires, un total prévisible
Au début, la charge échangée lors des collisions individuelles semblait aléatoire, avec des valeurs suivant une loi normale asymétrique. Mais à mesure que l'équipe provoquait davantage de collisions, un schéma cumulatif clair est apparu : la charge de chaque particule augmentait régulièrement au début, puis se stabilisait vers un maximum, une valeur de saturation. « Cela concorde avec le modèle du condensateur proposé précédemment, qui traite la charge des particules comme celle d'un condensateur », dit O'Hara.
« En établissant une relation claire entre les collisions répétées de particules et la saturation de la charge dans un système contrôlé, nous fournissons une base utile pour étudier la charge triboélectrique dans des environnements plus complexes », ajoute-t-il. Selon le compte rendu de Physics World, cette approche pourrait à terme aider les chercheurs à comprendre l'accumulation de charge en conditions réelles, ce qui pourrait conduire à de meilleures prévisions des phénomènes météorologiques extrêmes et à des règles de sécurité mieux fondées pour les industries manufacturières. Plus dans notre rubrique Science.