Diélectrique

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La séparation de charge dans un condensateur à plaques parallèles génère un champ électrique interne. Le matériau diélectrique (en orange) réduit ce champ et augmente la capacitance.

Un matériau est diélectrique s'il ne contient pas de charges électriques susceptibles de se déplacer de façon macroscopique. Autrement dit, c'est un milieu qui ne peut pas conduire le courant électrique. À ce titre, on l'appelle parfois isolant électrique. On compte parmi ces milieux : le vide, le verre, le bois et de nombreux plastiques.

Malgré l'impossibilité des milieux diélectriques de conduire le courant, ils présentent de nombreuses caractéristiques électriques. En effet, les atomes qui constituent le matériau peuvent présenter des dipôles électrostatiques qui sont susceptibles d'interagir avec un champ électrique. Cette interaction se traduit par la création d'une polarisation reliée à ce champ électrique, au niveau microscopique, par une polarisabilité, et au niveau macroscopique, par la susceptibilité électrique.

Phénomènes physiques dans les milieux diélectriques[modifier | modifier le code]

Les électrons présents dans un milieu diélectrique ne peuvent pas, par définition, se déplacer sur des grandes distances. Ils peuvent par contre présenter des mouvements d'amplitude très petite à notre échelle, mais qui peuvent être à l'origine de nombreux phénomènes. Ces mouvements sont souvent des mouvements d'oscillation autour du noyau : le nuage électronique peut être déformé et ainsi créer un dipôle électrostatique. Il en va de même pour le déplacement global des atomes au sein du matériau (ils créent également des dipôles).

Création d'une polarisation[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Polarisation (diélectrique).

En soumettant le matériau à un champ électrique, de tels dipôles peuvent être créés. S'ils existaient déjà, cela peut avoir comme effet de tous les aligner dans le sens du champ électrique. D'un point de vue microscopique, on peut relier l'amplitude de l'onde au dipôle créé via la notion de polarisabilité, qui est une caractéristique propre à chaque atome. Il est cependant impossible de mesurer de telles grandeurs microscopiques. On préfère utiliser une grandeur macroscopique, la polarisation, qui vaut la somme de tous les dipôles du matériau. Cette polarisation vient donc de différents effets physiques :

  • la polarisation électronique, toujours présente, est due au déplacement et à la déformation de chaque nuage électronique,
  • la polarisation atomique est due aux déplacements des atomes,
  • la polarisation d'orientation existe lorsque des dipôles déjà présents sont tous alignés entre eux.

La polarisation \vec P est souvent proportionnelle au champ électrique \vec E qui l'a créée (ce cas est dit linéaire) :

\vec P= \epsilon_0\chi\vec E,

avec \epsilon_0\, la permittivité du vide et \chi\, la susceptibilité électrique du matériau, qui est un nombre complexe. Dans le cas d'un diélectrique anisotrope, \chi\, est un tenseur de rang 2.

En généralisant cela à des phénomènes où la polarisation n'est pas proportionnelle au champ électrique, on atteint le domaine de l'optique non-linéaire.

Phénomènes de réfraction, de réflexion et d'absorption[modifier | modifier le code]

La polarisation créée dans le milieu diélectrique intervient dans des phénomènes mettant en jeu des ondes électromagnétiques, comme la lumière, car elles présentent un champ électrique. Les équations de Maxwell permettent alors de montrer que la partie réelle de \chi\, modifie la vitesse c d'une onde lumineuse se propageant dans le matériau par rapport à la vitesse c0 qu'elle aurait dans le vide selon la relation :

c_0=c\sqrt{1+\Re(\chi)}.

Cela correspond exactement à la définition de l'indice de réfraction n d'un milieu : c_0=c\; n. Cela explique donc le phénomène de réfraction de la lumière. D'autre part, la partie imaginaire correspond à une absorption de la lumière par le matériau. Lorsque le matériau est anisotrope, les relations ne sont pas aussi simples, et on voit apparaître le phénomène de biréfringence : deux rayons sont réfractés au lieu d'un seul.

La réflexion peut également être comprise de cette façon. On peut alors montrer que, au passage de la lumière à travers un dioptre séparant deux milieux différents, une partie de l'onde est réfléchie, et le reste est réfracté. Le calcul correspondant aboutit aux coefficients de Fresnel qui donnent les proportions de la lumière réfléchie et réfractée. Dans le cas où toute la lumière est réfléchie (réflexion totale), on peut observer une onde évanescente, c'est-à-dire une onde de très courte portée qui apparaît de l'autre côté du dioptre. On peut même, en plaçant un autre dioptre très proche du premier, récupérer cette onde évanescente : c'est le phénomène de réflexion totale frustrée.

Grandeurs caractéristiques des milieux diélectriques[modifier | modifier le code]

Les matériaux diélectriques sont caractérisés en particulier par [1]:

Quelques milieux diélectriques usuels[modifier | modifier le code]

Solides[modifier | modifier le code]

Liquides[modifier | modifier le code]

  • l'huile minérale, utilisée dans les transformateurs[1].
  • l'huile de silicone[1].
  • l'huile végétale[1].
  • l'eau pure. Si l'eau usuelle est conductrice, une eau parfaitement pure est un très bon isolant. La difficulté de garder une eau très pure rend toute utilisation industrielle difficile[1].
  • l'huile végétale, innovation récente dans l'isolation diélectrique dans les transformateurs électriques[1].
  • l'azote liquide, l'hélium liquide ou SF6 permet d'isoler des composants supraconducteurs à très basse température[1].
  • le pyralène (PCB), autrefois utilisé dans les transformateurs, mais depuis interdit dans la plupart des pays à cause de sa toxicité[1].

Gazeux[modifier | modifier le code]

  • l'air, qui a l'avantage d'être abondant[1].
  • l'hexafluorure de soufre (SF6), qui sous pression a une meilleure rigidité diélectrique que l'air[1].
  • le diazote, qui n'est pas aussi isolant que le SF6 mais, étant présent dans l'air, n'a pas d'effet néfaste sur l'environnement[1].


Utilisations des diélectriques[modifier | modifier le code]

Les diélectriques étant de bons isolants électriques et thermiques, et sont donc utilisés pour gainer les câbles électriques afin d'éviter des contacts avec d'autres câbles ou des personnes.

Les diélectriques sont utiles dans les condensateurs. Dans le cas, très simple, du condensateur plan, on peut rapprocher les plaques sans risque de contact ou de claquage. On insère ainsi des couches de diélectriques dans les condensateurs industriels, ce qui permet d'augmenter la capacité en diminuant l'encombrement.

D'autre part, si on la soumet à un champ électrique suffisamment puissant, toute substance s'ionisera et deviendra conductrice. Les diélectriques étant plutôt difficiles à ioniser, l'air ambiant devient conducteur avant eux : on peut les employer pour des condensateurs à haute tension.

La plupart des diélectriques sont également transparents dans de larges gammes de fréquences, et sont parfois utilisés pour constituer une couche anti-reflet, par exemple sur certains modèles de verres de lunette.

Essais diélectriques[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Essais diélectriques.

Afin de mesurer et vérifier les propriétés diélectriques des isolations, des essais diélectriques sont réalisés sur les appareils haute tension notamment[2].

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Références[modifier | modifier le code]

  1. a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k, l, m, n, o, p, q et r Kuechler 2005, p. 266-306
  2. Kuechler 2005, p. 23

Bibliographie[modifier | modifier le code]