Génération d’électricité par l’électricité statique
L’électricité statique est un terme informel désignant les phénomènes causés par l’accumulation de charge électrique sur la surface de divers corps et objets et leur échange lors du contact entre eux. La différence de potentiel électrique (c’est-à-dire la tension) peut être générée par deux mécanismes : l’induction électrostatique ou l’effet triboélectrique. Ces générateurs produisent une tension très élevée et un courant faible. En raison de leur inefficacité et de la difficulté à isoler les machines produisant de très hautes tensions, les générateurs électrostatiques avaient des puissances faibles et n’ont jamais été utilisés pour la production d’électricité en quantités commercialement significatives. Leurs seules applications pratiques étaient pour alimenter les premiers tubes à rayons X et plus tard dans certains accélérateurs de particules atomiques. Il est courant de ressentir une tension de 5 000 V. La principale raison pour laquelle le choc causé par l’électricité statique ne blesse personne est son très faible ampérage.
L’électricité statique
L’électricité statique est provoquée par l’accumulation de charge électrique sur divers objets. La majorité de l’électricité statique rencontrée quotidiennement est causée par l’effet triboélectrique. Cet effet est une forme d’électrisation par contact dans laquelle certains matériaux deviennent électriquement chargés après avoir été en contact puis séparés. La friction entre les deux matériaux augmente considérablement l’effet en raison du contact et de la séparation fréquents de ces matériaux. Par temps sec, l’électricité statique est beaucoup plus perceptible car l’air contient moins de molécules d’eau pour permettre les fuites. Notez qu’une tension très élevée est nécessaire pour générer chaque arc électrique de 1 mm. L’air est un très mauvais conducteur d’électricité et possède une haute rigidité diélectrique. La rigidité diélectrique de l’air est d’environ 3000 V/mm. Dans des conditions sévères, jusqu’à 15 000 volts ont été enregistrés.
Générateur électrostatique
Un générateur électrostatique est un générateur électrique qui produit de l’électricité statique, ou de l’électricité à haute tension et à faible courant continu. Il existe différents types de générateurs électrostatiques (ESG), qui peuvent être des générateurs par friction ou par induction. Un ESG crée une haute tension mais a un courant très faible. Les tensions peuvent facilement atteindre plusieurs centaines de milliers de volts, mais le courant ne sera que de quelques centaines de microampères. Les matériaux diélectriques peuvent augmenter la tension de percée et produire plus d’énergie électrique.
Machine de Wimshurst
Les machines de Wimshurst utilisent un effet d’induction électrostatique pour créer de l’énergie électrique. Ces machines appartiennent à une classe de générateurs électrostatiques appelés machines à influence, qui séparent les charges électriques par induction électrostatique, ou influence, sans dépendre de la friction pour leur fonctionnement. Elles possèdent deux plaques diélectriques avec de multiples lames métalliques. Une brosse à deux extrémités est connectée à chaque plaque, et chaque plaque est reliée à son propre conducteur. Lorsque les plaques tournent en sens inverse, la machine de Wimshurst commence à collecter une charge positive d’un côté du conducteur et une charge négative de l’autre côté. Cela continue jusqu’à ce que les conducteurs soient suffisamment chargés, et la tension fera une percée entre les conducteurs. Lorsque la percée de tension se produit, le processus de charge recommence si les plaques sont en mouvement.
Générateur Van de Graaff
Le générateur Van de Graaff (VDG) est un dispositif électrostatique capable de produire des tensions très élevées tout en maintenant un courant plus petit et constant. Le premier générateur Van de Graaff a été construit en 1929 par Robert J. Van de Graaff, physicien et inventeur américain. Il utilise une courroie en mouvement pour accumuler une charge électrique sur un globe métallique creux au sommet d’une colonne isolée, créant ainsi des potentiels électriques très élevés. Un générateur Van de Graaff simple se compose d’une courroie en caoutchouc (ou d’un matériau diélectrique flexible similaire) se déplaçant sur deux rouleaux de matériaux différents, l’un d’eux étant entouré par une sphère métallique creuse. Un électrode métallique en forme de peigne avec des pointes aiguisées est positionnée près de chaque rouleau. Lorsqu’un moteur est utilisé pour entraîner la courroie, l’effet triboélectrique provoque le transfert d’électrons des matériaux différents de la courroie et des deux rouleaux. Comme on peut le voir sur la figure, le caoutchouc de la courroie deviendra négativement chargé tandis que le verre acrylique du rouleau supérieur deviendra positivement chargé. La courroie emporte une charge négative sur sa surface intérieure tandis que le rouleau supérieur accumule une charge positive. La différence de potentiel atteinte par les générateurs Van de Graaff modernes peut atteindre 5 mégavolts.
Générateur de haute tension à disque rotatif
Le générateur de haute tension à disque rotatif utilise l’induction au lieu de la méthode par friction. La charge électrique est transportée du potentiel de terre au terminal HV par des porteurs de charge, qui tournent dans le disque isolant. Les porteurs de charge font un contact électrique à travers les électrodes des inducteurs. L’inducteur ne bouge pas et ils sont situés dans un anneau extérieur.
Autres méthodes de production de tension
La tension, ou le potentiel électrique, peut être produite par les méthodes suivantes :
- Électricité statique – La majorité de l’électricité statique que nous rencontrons chaque jour est causée par l’effet triboélectrique.
- Électrochimie – Des produits chimiques peuvent être combinés avec certains métaux pour provoquer une réaction chimique qui transférera des électrons pour produire de l’énergie électrique.
- Induction magnétique – La rotation de bobines de fil à travers un champ magnétique stationnaire ou la rotation d’un champ magnétique à travers une bobine stationnaire de fil produit un potentiel électrique.
- Effet piézoélectrique – La flexion ou la torsion de certains matériaux provoquera le déplacement des électrons hors de leur orbite dans la direction de la force. Lorsque la force est relâchée, les électrons retournent à leur orbite originale.
- Thermoélectricité – Le chauffage de deux matériaux dissemblables joints provoquera un transfert d’électrons entre les matériaux, établissant ainsi un flux de courant.
- Effet photoélectrique – L’effet photoélectrique est l’émission de photoélectrons d’une matière lorsqu’un rayonnement électromagnétique (photons) frappe sa surface.
- Émission thermoionique – La libération d’électrons d’une surface chaude provoque leur évasion.
