CHAPITRE Il

EN FORME DE RAPPELS

1 - IL ÉTAIT UNE FOIS... L'UNIVERS

Ainsi commençaient les contes, oeuvres de fiction, de pure imagination, destinées à charmer notre enfance, à bercer et combler notre quête de merveilleux...

Qui aurait jamais pensé que la Science, plus précisément la Physique, réputée austère, fondée sur la rigueur, nous proposerait "une histoire" plus merveilleuse qu'aucune de celle qu'aucun conteur a jamais pu imaginer ?

Cette histoire, c'est notre histoire, celle de la naissance et de la vie de cet univers que nous habitons l'instant d'un battement d'aile, mais qu'à force de labeur et d'obstination, nous sommes parvenus à reconstituer le passé depuis ses tout premiers instants, et dont nous comprenons de mieux en mieux la genèse et l'évolution.

Car ce passé fabuleusement éloigné va nous permettre de saisir un présent souvent déroutant et nous montrer que dans cet univers, rien, absolument rien, ne relève du hasard, depuis le plus banal des atomes jusqu'aux plus hautes créations de l'esprit.

Voici donc bientôt quinze Milliard d’années qu’est née cette chose aussi essentielle que la lumière et la matière : c'est l'électricité, sous la forme que nous lui connaissons et qui n'a jamais varié depuis sa naissance. C'est précisément dans les toutes premières secondes que sont apparues - en nombre rigoureusement égal - les "charges" électriques antagonistes, que nous avons appelées - faute de mieux - "positive" et "négative", à partir desquelles est constituée toute la matière de notre Univers .

Nous observons cette précaution extraordinaire que prend la nature - ou son Créateur - de disposer certes de deux types de charges électriques, avec leurs comportements propres, mais de les créer en nombre égal, de sorte que l'univers à venir, vous, moi, et d'ordinaire tout ce qui nous entoure, demeure "neutre électriquement".

Ce fait se traduira justement dans les conditions habituelles par l'absence de forces électriques observables à notre échelle, tandis que ces mêmes forces assureront de manière fondamentale l’existence et la cohésion de toute matière à l’échelle des atomes ! C'étaient là certainement les deux conditions initiales les plus draconiennes à respecter....encore que peut-être les plus “faciles” !

A l'inverse, et comme il faudrait bien assurer la cohésion et la structuration de cet univers, la nature va disposer d'une autre force, partout présente, agissant sur tout ce qui existe ou existera : ce sera la gravitation. Elle est là à chaque instant et nous rappelle sans cesse sa présence, et si j'ose dire de quel poids elle pèse sur nous !

Toutefois, ici encore, dame Nature se montrera très prévoyante : cette force de gravitation, immensément plus faible que les forces électriques, n'agira de manière perceptible et « structurante » que si des masses considérables de matière sont rassemblées par elle : planètes, étoiles, galaxies à venir .

2 - MAINTENANT L'ELECTRICITE!

Ainsi donc, cette matière qui nous entoure et dont nous sommes faits ne peut exister et subsister que grâce aux forces électriques, alors essentiellement attractives, qui s'exercent entre ses constituants !

Voyons donc cela d'un peu près et profitons-en pour situer tout de suite la grandeur de ces forces, que jamais plus nous ne devrons oublier.

Chacun sait qu'un métal est "bon conducteur" de l'électricité, alors qu'un plastique, par exemple, est un excellent "isolant" ! Pourquoi cette différence ?

Eh bien, dans un métal, les électrons - ces minuscules charges négatives, légères, bondissantes - peuvent se déplacer très facilement, sous la moindre des sollicitations  : c’est le “ courant électrique” habituel !

A l'inverse, dans un isolant, les électrons demeurent obstinément accrochés à leur atome, ne pouvant de ce fait transporter de "courant" d'un lieu à un autre .

Que signifient alors ces mots : "intensité", "ampère" ? Exactement l'équivalent du débit d'une conduite, d'eau, de gaz, exprimé en litres par seconde par exemple.

Mais ici, il s'agira de la quantité de charges électriques négatives, donc du nombre d'électrons, qui passent à chaque seconde en un point quelconque d’un circuit conducteur, tout comme d'ailleurs le “débit” de l'eau dans un tuyau .

L'unité de charge s'appelle le "coulomb", et l'on a décidé que si à chaque seconde il passe un "coulomb" en un point d'un circuit, le débit - ici on parlera d'intensité - sera de "un ampère".

Donc un conducteur traversé par un courant de un ampère, "verra" alors passer à chaque seconde en un quelconque de ses points une charge négative de un coulomb .

Très bien, me direz-vous, mais nous serions curieux de savoir combien cela, fait d'électrons en promenade ?

....A vrai dire : énormément !! Vous voulez savoir combien ? Alors voyez

1 coulomb = 6 x 1.000.000.000.000.000.000 de charges électroniques, soit donc 6 milliards de milliards : je vous l'avais dit, cela fait vraiment beaucoup .

Un ampère c'est donc beaucoup d'électrons, mais cependant un faible courant : juste de quoi recharger la batterie de votre caméscope ! Et pourtant ......

Imaginons maintenant une expérience théoriquement possible, parfaitement rigoureuse mais hélas totalement irréalisable avec nos moyens.

Imaginons que nous réussissions à rassembler - ce qui déjà ne serait guère commode - deux petits "paquets" d'électrons, chaque paquet contenant une charge de un coulomb, très modeste face à celle d'un nuage orageux par exemple .

Essayons alors de placer nos deux paquets d'électrons à un mètre l'un au-dessus de l'autre ou l'un à côté de l'autre. Bien entendu, en vertu de cette loi fondamentale voulue par la nature lors de leur naissance, nos électrons entre eux, et les deux paquets de même, vont se repousser, tels des frères ennemis .

Je vous ai dit l'immensité des forces électriques : en voici la mesure, vérifiable et toujours vérifiée : nos deux paquets se repousseront avec une force voisine de un million de tonnes...

Si, par exemple, vous avez accroché le premier paquet d'électrons à un (solide) portique, et que vous vouliez "suspendre" le second paquet à un mètre au-dessous du premier, le "câble" de suspension devra supporter l'équivalent de 10 gros porte-avions ou de 3 pétroliers géants !

Alors, que pensez-vous des forces électriques ?!

Je vais maintenant vous donner l'exemple d'un phénomène naturel bien connu, et pas toujours apprécié d'ailleurs, où de telles forces, mises réellement en jeu, expliquent les effets observés : c'est l'orage et plus particulièrement la foudre. Cette dernière n'est en effet rien d'autre qu'un paquet d'électrons dont la dimension est de l'ordre de quelques centimètres ; il transporte une charge de quelques dizaines de coulombs, chassée du nuage originel par l'énorme accumulation de charges identiques qui constituent justement la structure orageuse. Mais nous aurons plus loin l'occasion d'en reparler.

Revenons donc à nos charges individuelles et rappelons les deux propriétés tout à fait fondamentales qui ont organisé toute matière :

1 - Deux charges de "même signe", deux protons positifs, comme deux électrons négatifs, se repoussent de plus en plus énergiquement, lorsque leur distance diminue. Quand la distance est divisée par 2, la force est multipliée par 4 ; quand la distance est divisée par 10, la force est multipliée par 100. On dit alors que "la force est inversement proportionnelle au carré de la distance". C'est une loi qui conduit donc à des forces gigantesques quand la distance entre les charges devient très petite. Une seule charge présente en un lieu quelconque pourra donc agir sur toutes les charges présentes dans l'espace, aussi loin qu'elles puissent être... et réciproquement bien entendu. A cette force partout présente et capable de s'exercer sur une charge comme sur le "paquet" précédent, , on a donné le nom de "champ électrique". Et sa loi de variation est évidemment celle de la force : doublez la distance, il est divisé par 4 ; multipliez la distance par 10, il est divisé par 100. Ainsi va le champ électrique .

2 - A l'inverse des charges identiques, deux charges de "signe contraire", un proton positif et un électron négatif, s'attirent mutuellement de plus en plus énergiquement quand leur distance diminue, et bien sûr de moins en moins quand leur distance augmente ! La force (et le champ ) est divisée par 4 quand la distance est doublée et elle est multipliée par 100 quand la distance est divisée par 10. Cette force d'attraction obéit donc à la même loi que la force de répulsion, varie très vite avec la distance et conduit à des forces d'attraction gigantesques quand la distance est très petite .

Au fait, un atome d'hydrogène, c'est quoi ?

Question pour question, c'est quoi une fronde ?

En gros, un caillou au bout d'un lacet, bien tenu par celui qui fait tourner rapidement le caillou. On voit alors le lacet se tendre et à condition que le caillou tourne assez vite, il peut le faire indifféremment dans un plan horizontal, oblique, ou vertical !

Voilà (à peu près) un atome d'hydrogène : le caillou qui tourne, c'est l'électron, tandis que vous qui le maintenez sur sa trajectoire, vous êtes (ou plutôt votre main) le proton, le "noyau" de l'atome ; quant à la force qui maintient le caillou autour de vous, c'est la tension exercée par le lacet, équivalente à la force d'attraction électrique : sans elle, ou si vous coupez le lacet, le "caillou-électron" filera tout droit et vous ne le reverrez probablement plus !

Seule précaution, mais tout à fait essentielle, prise par la nature : faire en sorte que l'électron tourne juste à la bonne vitesse pour que la force "centrifuge", qui tend à l'éloigner, équilibre exactement l'attraction électrique !

Apparemment, c'est réussi, et l'hydrogène de l'univers se comporte sagement, du moins aussi longtemps que l'on n'essaie pas de lui subtiliser "son" électron !

Einstein disait souvent : "Ce qui est bon pour le jars est sûrement bon pour l'oie." Il en va heureusement de même du petit monde des atomes .

Lorsque le noyau s'alourdira, comportant 2, 3, jusqu'à 92 protons (pour l'uranium), un nombre exactement égal d'électrons circulera autour du noyau, en un extraordinaire ballet qui fut réglé méticuleusement lorsque le spectacle a commencé .

Ainsi par exemple, l'oxygène comporte un noyau contenant 8 protons, autour duquel, en temps normal, gravitent sagement 8 électrons ; l'azote possède un noyau à 7 protons, autour duquel circulent non moins sagement 7 électrons . (Fig....)

Remarquons à nouveau que sera ainsi respectée la règle fondamentale : la matière de notre univers, dans son état normal, sera électriquement "neutre", possédant un nombre égal de charges positives et négatives, et ne pouvant - du moins dans la généralité des cas - être soumise à des forces électriques d'origine extérieure. En somme, pour disposer d'un univers stable, équilibré, il fallait à tout prix "museler" cette force électrique, quitte à lâcher un peu la bride si cela devenait indispensable !

Avant d'aller plus loin, rappelons une loi étonnante concernant la constitution des atomes et la répartition des électrons autour du noyau : en fait, dès les premiers éléments, les électrons se répartissent en "couches" successives, telles les pelures de l'oignon. En somme, plutôt que de les entasser sur une même couche, en laissant un vide énorme inutilisé entre eux et le noyau, la nature a préféré utiliser au mieux la place dont elle disposait ; elle a profité de cette disposition avantageuse pour doter les atomes de quelques propriétés supplémentaires, fort précieuses pour l'avenir .

L'une de ces propriétés, à coup sûr remarquable, est la tendance irrésistible qu'ont tous les atomes, quand cela leur est possible, à s'entourer d'une dernière couche d'électrons, la plus extérieure, comportant 8 électrons, pas un de plus, pas un de moins ! Pour les éléments solides, ce ne sera pas facile, sauf pour quelques atomes tels le carbone, le silicium, convenablement associés .

En revanche, les éléments gazeux y parviendront par un moyen aussi vieux que le monde : en partageant leurs "ressources" en électrons "Prête-moi deux électrons, je te prêterai deux électrons” !

Ainsi fera l'oxygène, comme le montre la figure (très) schématique du tableau N° VII.

Ainsi feront de même l'azote, le chlore et quelques autres atomes à qui décidément la solitude est insupportable !

Et savez-vous comment on nomme une telle association, tout à fait stable et, oserait-on dire, heureuse de vivre ? Tout simplement une molécule !

Alors, plus de surprise : composée essentiellement d'oxygène et d'azote, notre atmosphère voit donc ces deux gaz présents sous leur forme "moléculaire".

Bien entendu, deux atomes différents peuvent s'associer (en se "prêtant" des électrons) pour constituer également une belle et bonne molécule dont les propriétés seront cependant toujours complètement différentes de celles des atomes qui la constituent !

Et puis, ma foi, pourquoi pas ? 3, 4... 10,100, des milliers d'atomes assemblés constitueraient autant de molécules avec leurs structures, leurs propriétés, variables d'ailleurs à l'infini, ce qui laisserait à la nature toute liberté d'exercer une imagination .....dont nous sommes l'un des fruits !

Mais revenons maintenant à des molécules simples, à 2 atomes identiques, puisque ce sont justement celles qui constituent cette atmosphère qui est l'objet de nos préoccupations .

Nous savons que dans son état normal - les physiciens disent "fondamental" - atome ou molécule est neutre électriquement .

Qu'adviendra-t-il alors si une cause extérieure provoque soit le gain, soit la perte par "arrachement" d'un ou de plusieurs électrons ? Bien entendu, l'atome ou la molécule ainsi modifié cesse aussitôt d'être neutre électriquement :

- le “gain" d'un ou de plusieurs électrons confère systématiquement une charge négative excédentaire : on dit que l'on a obtenu un "ion négatif” ;

- la perte d'un ou de plusieurs électrons se traduit par l'absence de neutralisation des charges positives correspondantes du noyau ; l'atome ou la molécule ainsi traité possède maintenant la charge positive excédentaire correspondante. On dit que l'on a obtenu un "ion positif”.

Ainsi, un "ion" n'est rien d'autre qu'un atome ou une molécule qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons . Le tableau N° VIII illustre ceci.

Mais alors, attention aux conséquences !... Neutre, l'atome ou la molécule ignorait en général superbement les forces électriques, demeurant sagement où il se trouvait !

Porteurs de charges, nos ions pourront être soumis à des forces électriques, en particulier venant de leur propre influence mutuelle ; si rien ne les retient où ils se trouvent, ils se mettront aussitôt en mouvement, afin de s'écarter au plus vite les uns des autres puisqu'ils portent la même charge.

Donc, s'ils se trouvent au voisinage de charges de même signe, ils tendront à les fuir .

Mais s'ils se trouvent au voisinage de charges de signe contraire, ils tendront à les rejoindre et les "neutraliser".

Bien entendu, ces ions positifs ou négatifs pourront aussi être capturés et le seront à coup sûr par les particules petites ou grosses présentes dans l'atmosphère suivant un mécanisme étudié de longue date par les physiciens : l'effet "d'image électrique". Les micro-polluants n'échapperont évidemment pas à ce phénomène et je n'ai pas besoin d'insister pour que vous imaginiez les conséquences de cette capture sur le comportement profondément bouleversé de ces micro-polluants ; les effets supplémentaires inévitables résultant de la présence d'une charge électrique pourront alors pleinement s'exercer ; au surplus, de tels effets, aussi bien physiques que biologiques, seront souvent très différents suivant le signe de la charge acquise .

Il restera alors à nous demander quelles causes précises sont responsables de la transformation d'un atome ou d'une molécule en un ion chargé, mécanisme dénommé "ionisation". Concernant les gaz de l'atmosphère, nous verrons que ces causes sont variées, mais qu'elles aboutissent toujours au même résultat : assurer au sein de cette atmosphère la présence permanente des indispensables charges électriques, déjà présentes depuis longtemps lorsque la vie est apparue sur notre terre, et qui n'ont plus cessé de l'accompagner et d'y participer .

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