Pourquoi le ruban adhésif brille-t-il quand on l'arrache dans le noir ?
― Au moment du décollement, de minuscules étincelles jaillissent dans l'interstice
Dans une pièce plongée dans le noir, tirez brusquement sur un ruban adhésif : une lueur bleutée parcourt la ligne de décollement. Ce n'est ni la colle ni le ruban qui brille. Ce sont de minuscules étincelles : l'électricité produite quand les deux faces se séparent saute à travers l'air de l'interstice.
C'est le soir du déménagement. Vous fermez des cartons dans une pièce dont la lumière est éteinte.
Vous tirez d'un coup le ruban adhésif du rouleau. Il vous semble qu'une lueur bleutée a brillé un instant à l'endroit du décollement. Le crépitement vous paraît aussi plus fort que d'habitude.
Une illusion d'optique ? Non, cette lumière est bien réelle. Si vos yeux se sont habitués à l'obscurité, tout le monde peut la voir.
Deux raisons seulement
Là où deux faces de ruban étaient collées, des particules électriques sont passées un peu d'un côté. Au décollement, le positif et le négatif sont éloignés l'un de l'autre, et une haute tension apparaît dans l'interstice.
Au-delà de quelques centaines de volts, l'air de l'interstice se met à conduire l'électricité. L'azote de l'air émet alors de la lumière. C'est l'origine de la lueur bleutée.
La lumière du ruban ressemble donc beaucoup au « petit choc » de la poignée de porte en hiver. La différence : de très petites étincelles se succèdent en grand nombre le long de la ligne de décollement.
Que se passe-t-il dans l'interstice ?
Quand on met en contact deux matériaux différents, des particules électriques (les électrons) passent légèrement de l'un à l'autre au niveau de la surface de contact. Nul besoin de frotter : un simple contact étroit suffit. Pour le ruban, la combinaison est la face collante et le dos du ruban qui se trouve dessous.
Tant que les faces sont collées, le positif et le négatif sont tout proches : il n'y a presque pas de tension. Mais dès qu'on décolle et qu'un interstice s'ouvre, tout change. La quantité d'électricité reste la même, seule la distance augmente : la tension croît donc proportionnellement à l'interstice.
Avec le curseur de la figure 1, faites varier la largeur de l'interstice. Un écart d'à peine un cheveu (environ 0,1 mm) suffit, d'après le calcul, pour atteindre des centaines de volts.
Pourquoi cette couleur bleutée ?
Dans l'étincelle, des électrons tirés par le champ électrique filent à grande vitesse et heurtent les molécules d'air. Les molécules heurtées rendent l'énergie reçue sous forme de lumière.
Près de 80 % de l'air est de l'azote. La lumière qu'il émet est surtout de l'ultraviolet, invisible ; la partie visible tire vers le bleu-violet. C'est pourquoi la lueur du ruban, l'éclair de l'orage et l'étincelle d'électricité statique ont une teinte bleutée semblable.
La lumière clignote par petites touches le long de la ligne de décollement. Le ruban ne se décolle pas à vitesse constante et régulière : il « accroche, puis lâche d'un coup », sans cesse. Le crépitement naît de ces à-coups.
En 2008, une équipe américaine a décollé du ruban dans une enceinte où l'on avait fait le vide. Elle a observé des éclairs de rayons X très brefs. Ils auraient même permis de photographier les os d'un doigt. Sans air, les électrons ne rencontrent aucune molécule : ils continuent d'accélérer et frappent le ruban à grande vitesse. Dans l'air d'une pièce ordinaire, les électrons sont vite arrêtés par les molécules, et il n'y a pas lieu de s'inquiéter.
Frottez ou cassez deux morceaux de sucre candi ou de sucre en morceaux dans l'obscurité : ils émettent aussi une faible lueur. On pense que, lorsque le cristal se brise, les charges se séparent entre les faces de cassure. Les phénomènes lumineux produits en décollant, frottant ou brisant sont regroupés sous le nom de triboluminescence.
En résumé
Quand deux rubans sont collés, un peu de charge passe d'une face à l'autre. En décollant, un interstice s'ouvre : la quantité de charge reste la même, mais la distance grandit et la tension dépasse plusieurs centaines de volts. L'air devient alors conducteur, une minuscule étincelle jaillit et l'azote s'illumine en bleu pâle.
La lueur du ruban est un « petit éclair »
de la taille d'une main, né du geste de décoller.
Le même mécanisme explique le « petit choc » de la poignée de porte en hiver : voir Pourquoi reçoit-on une décharge d'électricité statique en hiver ?. Pour l'électricité statique invisible qui peut enflammer des vapeurs, voir Pourquoi toucher du métal avant de faire le plein ?.
- Plongez la pièce dans le noir et attendez environ 10 minutes pour que vos yeux s'habituent.
- Tirez d'un coup un ruban d'emballage (toilé ou transparent) du rouleau et observez la ligne de décollement. Comparez avec un décollement lent.
- Frottez fort deux morceaux de sucre candi dans l'obscurité. Comparez un jour sec et un jour de pluie.
Par temps humide, l'électricité de la surface du ruban s'échappe plus facilement par l'eau, et la lueur est plus faible. Ne décollez pas le ruban près du visage, et jetez-le en boule après usage.
Pour aller plus loin ― termes, formules, lien avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeNiveau du programme de sciences du collège
- LycéeNiveau du cours de « physique » du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou contenu de type encadré de manuel
- UniversitéMatières spécialisées de l'université, non vues au lycée (électromagnétisme, génie des décharges, physique du solide)
- RechercheSujets encore étudiés par les chercheurs, non enseignés comme acquis, même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Triboluminescence : émission de lumière par un objet soumis à une force (décollement, frottement, rupture).
- Électricité statique (électrisation) : accumulation de charges positives ou négatives à la surface d'un objet. Un simple contact peut la provoquer : on parle d'électrisation par contact.
- Décharge : écoulement brusque des charges accumulées à travers l'air ou un autre milieu, accompagné d'étincelles et de lumière.
CollègeLycéeVérifier par la formule : quelle tension pour un interstice de 1 mm ?
Considérons les deux faces du ruban décollé comme deux plaques planes portant des charges positives et négatives. Pour la charge accumulée, on prend, par hypothèse, une valeur donnée comme ordre de grandeur de la limite que peut conserver une surface dans l'air.
| En symboles | V ＝ σ × d ÷ ε0 |
| En mots | tension de l'interstice ＝ charge accumulée sur la face (par mètre carré) × largeur de l'interstice ÷ permittivité du vide |
| D'où vient-elle ? | Entre deux plaques planes, le théorème de Gauss donne un champ électrique σ ÷ ε0. La tension vaut « champ × distance » : à charge constante, elle est donc proportionnelle à la largeur de l'interstice (comme la formule du condensateur). |
| Symbole | Signification et unité |
| V | Tension de l'interstice (volts) |
| σ | Charge accumulée par mètre carré de surface (coulombs par mètre carré) |
| d | Largeur de l'interstice (mètres) |
| ε0 | Permittivité du vide (farads par mètre). Presque identique dans l'air |
| Charge accumulée σ (hypothèse) | environ 26 microcoulombs par mètre carré (ordre de grandeur de la limite pour une surface dans l'air) |
| Permittivité du vide ε0 | 8,85 picofarads par mètre |
| Largeur de l'interstice d | 1 millimètre |
| Tension minimale pour une étincelle dans l'air | environ 300 volts (valeur donnée pour un interstice de quelques micromètres) |
| Tension d'une pile | 1,5 volt |
| Champ σ ÷ ε0 (en millions de volts par mètre ＝ kilovolts par millimètre) | 26 ÷ 8,85 ≒ 2,94 |
| Tension pour 1 mm d'interstice (volts) | 2,94 × 1000 ＝ 2940 |
| Tension pour 0,1 mm d'interstice (un cheveu) (volts) | 2940 ÷ 10 ＝ 294 |
| Pour 1 mm, en nombre de piles | 2940 ÷ 1,5 ＝ 1960 |
Il suffit d'un interstice d'un cheveu pour atteindre environ 300 volts, le seuil minimal d'une étincelle. À 1 mm, cela équivaut à environ 2000 piles. Même si la quantité de charge est infime, c'est la distance de séparation qui fait monter la tension.
LycéeLycée+Même charge, pourquoi la tension monte-t-elle ?
LycéeLe ruban qu'on décolle se comporte comme un condensateur dont on écarte les armatures. À charge Q constante, la capacité diminue en raison inverse de la distance, et la tension V ＝ Q ÷ C augmente proportionnellement à la distance. Le travail de la main qui décolle est stocké dans l'interstice sous forme d'énergie électrostatique.
Lycée+La tension à laquelle l'air devient conducteur n'augmente pas simplement avec la largeur de l'interstice. Si l'interstice est trop étroit, les électrons n'ont pas assez de collisions avec les molécules, et la décharge devient plutôt plus difficile. La tension d'étincelle présente donc un minimum, d'environ 300 volts dans l'air.
UniversitéLoi de Paschen et émission de l'azote
Le fait que la tension d'étincelle ne dépende que du produit de la pression du gaz par la largeur de l'interstice s'appelle la loi de Paschen. La couleur de la lueur du ruban vient surtout de l'émission dite « second système positif » de la molécule d'azote, dont une raie intense se situe vers 337 nanomètres, dans l'ultraviolet. Les rayons X dans le vide sont du rayonnement de freinage (Bremsstrahlung), émis quand des électrons accélérés sont déviés en frappant la matière. Le mécanisme du transfert de charge lui-même relève de l'électrisation par contact (triboélectricité), étudiée en physique du solide et en chimie des surfaces.
📖 Dérivation et approfondissements : Loi de Paschen (Wikipédia, en japonais) ／ Triboluminescence (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qu'on ne sait pas encore bien
- Que se transfère-t-il au simple contact ? Électrons, ions ou petits fragments de matière : cela dépend des matériaux, et le débat continue.
- Pourquoi le ruban accumule-t-il autant de charge ? Dans des expériences sous vide, on estime que des charges bien supérieures à la limite indicative de l'air s'accumulaient localement.
- La lumière des cristaux s'explique-t-elle par la seule décharge ? Pour le sucre et d'autres cristaux, on pense qu'une part de la lumière vient du cristal lui-même, en plus de celle de la décharge.
Le contenu de cet article est donc une « explication dans l'état actuel des connaissances ». Même dans un simple rouleau de ruban, des questions restent ouvertes.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière · chapitre | Dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, 2e année « Électricité statique et courant » | Charges au contact · lumière de la décharge |
| Lycée | Physique « Champ et potentiel électriques », « Condensateur » | Formule : la tension croît avec l'interstice |
| Lycée+ | Physique (approfondissement) « Décharge dans les gaz » | Tension minimale d'étincelle |
| Université | Électromagnétisme · génie des décharges · spectroscopie | Loi de Paschen, émission de l'azote, rayonnement de freinage |
| Recherche | Science des surfaces · tribologie | Mécanisme de l'électrisation par contact, lien entre décollement et lumière |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Électricité statique d'hiver, humidité et charge, décharge avant le plein |
- Camara, C. G., Escobar, J. V., Hird, J. R., Putterman, S. J. (2008) Correlation between nanosecond X-ray flashes and stick–slip friction in peeling tape. Nature 455, 1089–1092.
- 摩擦発光 (Triboluminescence) ― Wikipédia en japonais
- パッシェンの法則 (Loi de Paschen) ― Wikipédia en japonais
- Sweeting, L. M. (2001) Triboluminescence with and without air. Chemistry of Materials 13, 854–870.
- Manuels japonais de physique du lycée, chapitres « Champ et potentiel électriques » et « Condensateur »
※ Cet article est une vulgarisation scientifique. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à comprendre le mécanisme. L'accumulation de charges varie beaucoup selon les conditions ; les valeurs de l'article reposent sur une hypothèse donnée à titre d'exemple.