Voir la source de Diélectrique

[[Fichier:Capacitor schematic with dielectric fr.svg|thumb|La séparation de charge dans un condensateur à plaques parallèles engendre un champ électrique interne. Le matériau diélectrique (en orange) réduit ce champ et augmente la capacitance.]]

Un milieu est '''diélectrique''' (mot composé du préfixe grec {{grec ancien|δια-|dia-}} (« au travers ») et ''électrique''<ref>{{CNRTL|diélectrique}}, consulté le 19 août 2016.</ref>) s'il ne contient pas de [[charge électrique|charges électriques]] susceptibles de se déplacer de façon [[macroscopique]]. Le milieu ne peut donc pas conduire le [[courant électrique]], et est souvent un '''[[isolant électrique]]'''. Les milieux diélectriques incluent par exemple le [[Vide (physique)|vide]], le [[verre]], le bois sec, l'[[eau]] pure et de nombreux [[Matière plastique|plastiques]].

Les diélectriques ne sont cependant pas inertes électriquement. En effet, les constituants du matériau peuvent présenter à l'échelle atomique des [[dipôle électrostatique|dipôles électrostatiques]], qui interagiront avec un [[champ électrique]] externe appliqué. Cette interaction se traduit par la création d'une [[polarisation (diélectrique)|polarisation]] <math>\vec P</math> reliée au niveau microscopique à ce champ électrique par la [[polarisabilité]], et au niveau macroscopique, par la [[susceptibilité électrique]] <math>\chi\,</math>.

== Définitions et grandeurs caractéristiques ==
Les matériaux diélectriques sont caractérisés en particulier par{{sfn|Kuechler|2005|p=266-306}} :
* leur [[permittivité]] diélectrique ε, ou constante diélectrique ;
* leur [[rigidité diélectrique]] ;
* leur angle de perte ou tangente delta, tan(δ).

=== Définitions ===
Les mots [[isolants électriques|isolant]] et diélectrique tendent à être utilisés comme des synonymes<ref name="R1">{{Lien web |langue=fr |titre=Diélectriques |url=https://www.universalis.fr/encyclopedie/dielectriques/ |site=Encyclopædia Universalis |consulté le=2020-11-04}}.</ref>. Un isolant est un matériau dont la [[conductivité électrique]] est faible. La borne maximale est relativement arbitraire. Un diélectrique se caractérise par l'apparition d'une [[Polarisation (diélectrique)|polarisation]] lorsque le matériau est soumis à un champ<ref name=dielpoly>{{Ouvrage|auteur1=Dang, Zhi-Min|titre=Dielectric polymer materials for high-density energy storage|isbn=978-0-12-813216-6|isbn2=0-12-813216-7|oclc=1041143199|lire en ligne=https://www.worldcat.org/oclc/1041143199|consulté le=2020-11-07}}.</ref>.

Tout matériau présente, au moins, une polarisabilité électronique, puisqu'elle existe pour tout type d'[[atome]]. Ainsi, tout matériau isolant est diélectrique. En toute rigueur, seul le [[Vide (physique)|vide]] est un isolant non diélectrique (et même cela est discutable car il existe une [[polarisation du vide]]), néanmoins les propriétés diélectriques d'un gaz sous faible [[pression]] sont souvent négligeables. L'usage des termes « isolant » ou « diélectrique » dépend essentiellement du contexte, de l'application visée : on parle d'isolant quand on s'intéresse à la capacité du matériau à bloquer le courant, de diélectrique quand on s'intéresse à sa capacité à se polariser<ref name=paveprepa>{{Ouvrage|auteur1=Grécias, Pierre|titre=Physique sup, MPSI & PTSI|éditeur=Éd. Tec & doc|date=1999|isbn=2-7430-0303-0|isbn2=978-2-7430-0303-6|oclc=42383341|lire en ligne=https://www.worldcat.org/oclc/42383341|consulté le=2020-11-08}}.</ref>. Le terme « diélectrique » a été créé par [[William Whewell]], il apparait pour la première dans sa correspondance avec [[Michael Faraday]]<ref>{{Article|prénom1=David|nom1=Gooding|titre=Final Steps to the Field Theory: Faraday's Study of Magnetic Phenomena, 1845-1850|périodique=Historical Studies in the Physical Sciences|volume=11|numéro=2|date=1981|issn=0073-2672|doi=10.2307/27757480|lire en ligne=https://www.jstor.org/stable/27757480|consulté le=2023-05-16|pages=231–275}}</ref>.

Certaines ''propriétés diélectriques'' sont cependant définies pour des matériaux qui ne sont pas isolants. On peut ainsi généraliser la permittivité aux [[semi-conducteur]]s<ref name="R1" /> et aux métaux : on parle alors de fonction diélectrique complexe car la permittivité est alors un nombre complexe qui dépend de la fréquence. Sa partie réelle est alors associée aux processus diélectriques usuels (polarisation) alors que sa partie imaginaire est associée aux phénomènes dissipatifs.

Les matériaux [[Piézoélectricité|piézoélectriques]] sont un sous-ensemble des diélectriques solides cristallins, chez lesquels il existe une relation entre champ électrique et déformation mécanique.

=== Permittivité et susceptibilité ===

La permittivité se définit comme le rapport entre le vecteur [[Induction électrique|déplacement (ou induction) électrique]], dans un milieu donné et le [[champ électrique]]. C'est une grandeur macroscopique d'un milieu, issue de son comportement global, et qui n'a plus de sens à l'échelle moléculaire<ref>{{Article |langue=en |prénom1=V. |nom1=Ballenegger |prénom2=J.-P. |nom2=Hansen |titre=Dielectric permittivity profiles of confined polar fluids |périodique=The Journal of Chemical Physics |volume=122 |numéro=11 |date=2005-03-15 |issn=0021-9606 |issn2=1089-7690 |doi=10.1063/1.1845431 |lire en ligne=http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.1845431 |consulté le=2020-10-28 |pages=114711}}.</ref>.

:<math>\vec{D} = \epsilon\vec{E}</math>

La permittivité est un simple [[Scalaire (mathématiques)|scalaire]] dans un matériau [[isotrope]]. Néanmoins, dans les matériaux [[anisotrope]]s, elle prend la forme d'un [[tenseur]] sous la forme d'une matrice (3,3), et le vecteur de déplacement n'est alors pas nécessairement [[Colinéarité|colinéaire]] au vecteur champ électrique<ref>{{Article |langue=en |prénom1=D. R. |nom1=Smith |prénom2=D. |nom2=Schurig |titre=Electromagnetic Wave Propagation in Media with Indefinite Permittivity and Permeability Tensors |périodique=Physical Review Letters |volume=90 |numéro=7 |date=2003-02-21 |issn=0031-9007 |issn2=1079-7114 |doi=10.1103/PhysRevLett.90.077405 |lire en ligne=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.90.077405 |consulté le=2020-10-28 |pages=077405}}.</ref> :

:<math>\begin{pmatrix} D_x \\ D_y \\ D_z \end{pmatrix}  = \begin{pmatrix} \epsilon_{11} & \epsilon_{12} & \epsilon_{13} \\ \epsilon_{21} & \epsilon_{22} & \epsilon_{23} \\ \epsilon_{31} & \epsilon_{32} & \epsilon_{33} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} E_x \\ E_y \\ E_z \end{pmatrix}</math>

La permittivité se mesure en [[farad]]s par [[mètre]]. On utilise souvent la ''[[permittivité relative]]'', ou constante diélectrique du matériau, c'est-à-dire normée par rapport à [[Permittivité du vide|celle du vide]], qui vaut {{nb|8,854 e-12 F/m}}<ref>{{Article |langue=en |prénom1=C. K. |nom1=Ong |prénom2=Z. G. |nom2=Song |prénom3=K. H. |nom3=Oh |prénom4=H. |nom4=Gong |titre=Variation of the relative permittivity of charged dielectrics |périodique=Applied Physics Letters |volume=72 |numéro=3 |date=1998-01-19 |issn=0003-6951 |issn2=1077-3118 |doi=10.1063/1.120723 |lire en ligne=http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.120723 |consulté le=2020-10-28 |pages=317–319}}.</ref> : 

:<math>\epsilon = \epsilon_r\epsilon_0</math>

Le vecteur polarisation est l'incrément de <math>\vec{D}</math> par rapport à sa valeur dans le vide : 
:<math>\vec{D} =  \epsilon \vec{E} = \epsilon_0\vec{E} + \vec{P} =\epsilon_0\vec{E} + \epsilon_0\chi_{e}\vec{E}</math>

La susceptibilité <math>\chi_{\text{e}}</math> vaut donc <math>\epsilon_r-1</math> (ou <math>\epsilon_r</math> moins la [[matrice identité]] dans le cas non isotrope).

=== Évaluation des pertes en régime alternatif ===

En régime alternatif, la permittivité est complexe. Une convention souvent utilisée (mais pas toujours) est de noter <math>\epsilon'</math> sa partie réelle et, la [[partie imaginaire]] étant négative, <math>\epsilon''</math> son [[Opposé (mathématiques)|opposé]]<ref name=loss>{{Article |auteur1=Yang Minzhong |auteur2=Liu Shaoyu |auteur3=Wang Zhuo |auteur4=Yan Zhang |titre=Error analysis for dielectric loss factor measurement based on harmonic analysis |périodique=Proceedings of 2001 International Symposium on Electrical Insulating Materials (ISEIM 2001). 2001 Asian Conference on Electrical Insulating Diagnosis (ACEID 2001). 33rd Symposium on Electrical and Electronic Insulating Materials and Applications in System |éditeur=Inst. Electr. Eng. Japan |date=2001 |isbn=978-4-88686-053-8 |doi=10.1109/ISEIM.2001.973664 |lire en ligne=http://ieeexplore.ieee.org/document/973664/ |consulté le=2020-10-31 |pages=336–339}}.</ref>.

:<math>\epsilon = \epsilon' - i\epsilon''</math>

La partie imaginaire de la permittivité exprime une dissipation d'énergie. Dans le cas d'une capacité plane de surface <math>A</math> et d'entrefer <math>d</math>, elle se traduit par une partie réelle positive de l'[[Impédance (électricité)|impédance]] : 

:<math>C = \frac{A\epsilon}{d} = \frac{A(\epsilon'-i\epsilon'')}{d}</math>

:<math>Z = \frac{1}{iC\omega} = \frac{d}{iA(\epsilon'-i\epsilon'')\omega} = \frac{d(\epsilon'+ i\epsilon'')}{iA(\epsilon'-i\epsilon'')(\epsilon'+i\epsilon'')\omega}= \frac{d(\epsilon'+ i\epsilon'')}{iA|\epsilon|^2\omega}</math>

:<math>Z = \frac{1}{iC\omega} = -i\frac{d\epsilon'}{A|\epsilon|^2\omega} + \frac{d\epsilon''}{A|\epsilon|^2\omega}</math>

L'[[angle de perte]] <math>\delta</math> ([[Grandeur sans dimension|adimensionnel]]) est une façon usuelle de formuler l'importance de la dissipation d'énergie : 

:<math>\tan\delta = \frac{\epsilon''}{\epsilon'}</math>

Les pertes sont un critère majeur des performances d'un diélectrique pour les applications en [[haute fréquence]]. On cherche à utiliser le diélectrique présentant les pertes les plus faibles possibles dans la gamme de fréquence de l'application<ref name=loss/>. L'[[inverse]] du <math>tan\delta</math> est appelé [[facteur de qualité]] et noté <math>Q</math><ref name=NIST>{{Ouvrage|langue=en|auteur1=Richard Geyer|titre=Dielectric Characterization and reference materials|lieu=Gaithersburg|éditeur=NIST|date=1990|isbn=|lire en ligne=https://www.govinfo.gov/content/pkg/GOVPUB-C13-319af9ee141c44f1f5c7072208f56b6b/pdf/GOVPUB-C13-319af9ee141c44f1f5c7072208f56b6b.pdf}}.</ref>.

== Mécanismes de polarisation ==
{{Article détaillé|Polarisation (diélectrique)}}

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 atomique|noyau]] : le ''nuage électronique'' peut être déformé et ainsi créer un [[dipôle électrostatique]]. Il en va de même pour le déplacement global des noyaux ioniques au sein du matériau (ils créent également des dipôles). Le troisième mécanisme présent est la réorientation, sous l'effet du champ appliqué, de dipôles existants (comme les [[molécule d'eau|molécules d'eau]]).

Cette polarisation provient trois effets physiques différents. Ils sont représentés ici, chacun étant très exagéré :

[[Fichier:Dielectric polarization fr.svg|600px|centré]]

Un quatrième mécanisme, la polarisation d'interface, existe dans les [[Matériau granulaire|matériaux granulaires]].

=== Polarisation électronique ===

La [[Polarisation (électronique)|polarisation électronique]], présente dans toute matière, est due au déplacement et à la déformation de chaque [[nuage électronique]] : sous l'influence du champ, le nuage est décentré par rapport au noyau de l'atome. Ainsi le barycentre des charges négatives n'est plus confondu avec celui des charges positives, et chaque atome présente un dipôle.
La composante de premier ordre de la polarisation due à ce phénomène se calcule en déterminant le déplacement du nuage électronique, calcul qui est assez simple à condition de poser des hypothèses fortes<ref>{{Article |langue=en |prénom1=Robert W. |nom1=Boyd |titre=Order-of-magnitude estimates of the nonlinear optical susceptibility |périodique=Journal of Modern Optics |volume=46 |numéro=3 |date=1999-03 |issn=0950-0340 |issn2=1362-3044 |doi=10.1080/09500349908231277 |lire en ligne=http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/09500349908231277 |consulté le=2020-11-05 |pages=367–378}}.</ref>.

Un modèle simple consiste à représenter les électrons comme étant reliés au noyau par une [[Raideur (mécanique)|raideur]] <math>k</math>. Il permet de déterminer le moment créé par le nuage électronique d'un atome<ref>{{Ouvrage|auteur1=Bube, Richard H.|titre=Electrons in solids: an introductory survey|éditeur=Academic Press|date=1992|isbn=0-12-138553-1|isbn2=978-0-12-138553-8|oclc=24870700|lire en ligne=https://www.worldcat.org/oclc/24870700|consulté le=2020-11-06}}.</ref>.

=== Polarisation ionique ===

La polarisation ionique (ou atomique) est due aux déplacements des atomes, par déformation de la structure. L'exemple illustré ci-dessus correspond à un [[cristal ionique]] très simple où les anions et les cations sont alternés ([[chlorure de sodium]] par exemple)<ref>{{Article |langue=en |prénom1=D. A. A. S. Narayana |nom1=Rao |titre=Ionic polarisation in crystals: Additivity in double salts |périodique=Proceedings of the Indian Academy of Sciences - Section A |volume=30 |numéro=6 |date=1949-12-01 |issn=0370-0089 |doi=10.1007/BF03048749 |lire en ligne=https://doi.org/10.1007/BF03048749 |consulté le=2021-02-11 |pages=317–319}}.</ref>.

=== Polarisation d'orientation ===

La ''polarisation d'orientation'' existe lorsque des dipôles sont déjà présents. En l'absence de champ appliqué leur orientation est aléatoire, leur somme est donc nulle. Le champ tend à les aligner, créant une densité moyenne de moment dipolaire non nulle. C'est le mécanisme dominant dans les liquides, lorsque chaque molécule présente un moment électrique, ce qui caractérise un [[solvant polaire|liquide polaire]]. Il est responsable de leur permittivité relative très élevée, par exemple près de 80 pour l'eau. Cet effet présente une saturation (non-linéarité) : lorsque le champ appliqué est très important, les dipôles finissent par être tous parfaitement alignés, et la polarisation ne peut être accrue. En outre, il présente une limite en fréquence, les molécules ne pouvant suivre un champ trop rapide<ref>{{Article |langue=en |prénom1=Hans J. |nom1=Liebe |prénom2=George A. |nom2=Hufford |prénom3=Takeshi |nom3=Manabe |titre=A model for the complex permittivity of water at frequencies below {{nb|1 THz}} |périodique=International Journal of Infrared and Millimeter Waves |volume=12 |numéro=7 |date=1991-07 |issn=0195-9271 |issn2=1572-9559 |doi=10.1007/BF01008897 |lire en ligne=http://link.springer.com/10.1007/BF01008897 |consulté le=2020-10-30 |pages=659–675}}.</ref>.

La polarisation <math>\vec P</math> est souvent proportionnelle au champ électrique <math>\vec E</math> qui est le champ électrique total après que la matière a été polarisée (ce cas est dit ''linéaire'') : 

:<math>\vec P= \epsilon_0\chi_{e}\vec E</math>,

avec <math>\epsilon_0\,</math> la [[permittivité du vide]] et <math>\chi_{e}\,</math> la [[susceptibilité électrique]] du matériau, qui est un [[nombre complexe]]. Dans le cas d'un diélectrique anisotrope, <math>\chi_{e}\,</math> est un [[tenseur]] de {{nobr|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]].

=== Définition de la polarisabilité ===

En considérant une molécule isolée, sa polarisabilité <math>\alpha</math> se définit comme le rapport entre le champ électrique local et le [[Dipôle électrostatique|moment dipolaire]] crée par la polarisation électronique : <math>\vec p = \alpha\times\vec E_l</math>. Cette expression donne, selon le milieu étudié, des résultats différents<ref name="Levy">{{Ouvrage|auteur1=Levy, Elie|titre=Dictionnaire de physique|éditeur=Presses universitaires de France|date=1988|isbn=2-13-039311-X|isbn2=978-2-13-039311-5|oclc=299407253|lire en ligne=https://www.worldcat.org/oclc/299407253|consulté le=2020-12-05}}.</ref> :
* si la densité du milieu est très faible, et si aucun autre mécanisme de polarisation n'intervient (par exemple un gaz à faible pression, formé de molécules ''apolaires'') <math>\vec E_l \approx \vec E</math>. On a alors une relation directe entre <math>\alpha</math> et <math>\chi_{\text{e}}</math> : <math>\alpha = N\chi_{\text{e}}</math>, où <math>N</math> est le nombre de molécules par unité de volume ;
* dans un milieu plus dense, l'influence des molécules sur le champ n'est plus négligeable. Cela crée une sorte de [[rétroaction]] qui conduit à <math>\vec p = \alpha(\vec E + \frac{\vec P}{3\epsilon_0})</math> ;
* dans un milieu dense à molécules polaires, le moment dipolaire permanent des molécules <math>\vec p_0</math> s'y ajoute : <math>\vec p = (\alpha +\frac{\vec p_0^2}{3kT})(\vec E + \frac{\vec P}{3\epsilon_0})</math>. On fait ici intervenir la [[constante de Boltzmann]] ''k'' et la température ''T''.

=== Polarisation d'interface ===

Ce quatrième mécanisme de polarisation n'intervient que dans les diélectriques hétérogènes<ref>{{Chapitre|langue=en|prénom1=Kwan Chi|nom1=Kao|titre chapitre=2 - Electric Polarization and Relaxation|titre ouvrage=Dielectric Phenomena in Solids|éditeur=Academic Press|date=2004-01-01|isbn=978-0-12-396561-5|lire en ligne=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780123965615500128|consulté le=2022-10-02|passage=41–114}}</ref>.

== Phénomènes d'intérêt dans les diélectriques ==

=== Relaxation diélectrique ===

[[Fichier:Permittivity of water fr.svg|vignette|Permittivité relative et facteur de pertes de l'eau en fonction de la fréquence<ref>{{Article |langue=en |prénom1=W. J. |nom1=Ellison |titre=Permittivity of Pure Water, at Standard Atmospheric Pressure, over the Frequency Range 0–25THz and the Temperature Range 0–100°C |périodique=Journal of Physical and Chemical Reference Data |volume=36 |numéro=1 |date=2007-03 |issn=0047-2689 |issn2=1529-7845 |doi=10.1063/1.2360986 |lire en ligne=http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.2360986 |consulté le=2020-11-29 |pages=1–18}}.</ref>, et approximation par la loi de Debye.]] 
La formation (ou la disparition) d'une polarisation n'est pas instantanée. Elle a un temps de réaction, ce qui cause un retard, la relaxation diélectrique. La conséquence est que les propriétés diélectriques varient avec la fréquence<ref name=manceau>{{Ouvrage|langue=fr|prénom1=Jean-Philippe|nom1=Manceau|titre=Étude du phénomène de relaxation diélectrique dans les capacités Métal-Isolant-Métal|date=2008|lire en ligne=https://books.google.fr/books/about/Etude_du_ph%C3%A9nom%C3%A8ne_de_relaxation_di%C3%A9l.html?id=XEVHYAAACAAJ&redir_esc=y|consulté le=2020-10-27}}.</ref>.

Chacun des mécanismes de polarisation a une limite en fréquence et est donc associée à une relaxation diélectrique, mais les [[Ordres de grandeur de fréquence|ordres de grandeurs des fréquences]] concernées sont très différents<ref>{{Article |langue=en |prénom1=Jacob N. |nom1=Wilson |prénom2=Jarvist M. |nom2=Frost |prénom3=Suzanne K. |nom3=Wallace |prénom4=Aron |nom4=Walsh |titre=Dielectric and ferroic properties of metal halide perovskites |périodique=APL Materials |volume=7 |numéro=1 |date=2019-01 |issn=2166-532X |doi=10.1063/1.5079633 |lire en ligne=http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5079633 |consulté le=2020-11-28 |pages=010901}}.</ref> :
* pour la polarisation d'interface, les fréquences sont basses, de l'ordre de la centaine de kHz ;
* pour la polarisation d'orientation, la relaxation se produit dans des fréquences de l'ordre du GHz ;
* pour la polarisation ionique, l'ordre de grandeur est celui du THz ({{nb|e12 Hz}}) ;
* enfin, pour la polarisation atomique, le phénomène se produit au-delà de {{nb|e14 Hz}}, dans le domaine optique.

Le modèle de relaxation diélectrique le plus simple est celui de [[Peter Debye]], qui tient compte de la polarisation comme d'un simple phénomène d'ordre un, de [[constante de temps]] <math>\tau</math>. Pour une polarisation d'orientation, cela revient à supposer qu'il n'y a qu'un type de dipôles, et qu'ils n’interagissent pas entre eux<ref name=manceau/>. La constante diélectrique prend alors la forme complexe suivante :
:<math>\epsilon = \epsilon_\infty + \frac{\epsilon_{stat}-\epsilon_\infty}{1+i\omega\tau}</math>

<math>\omega</math> étant la [[fréquence angulaire]]. Dans cette écriture, <math>\epsilon_\infty</math> est la permittivité à l'infini (en très haute fréquence), elle est réelle et correspond à la situation où les dipôles ne sont plus du tout mobiles. <math>\epsilon_{stat}</math> est la permittivité ''statique'', c'est-à-dire observée en très basse fréquence, lorsque les dipôles réagissent en [[régime forcé]].
Dans la zone de transition, la partie imaginaire de la permittivité devient importante, traduisant des [[Amortissement physique|pertes]] : de l'énergie est perdue à déplacer les dipôles.

Développée dans le cas des liquides, l'équation de Debye est rarement suffisante pour décrire le comportement des solides. Il existe différents modèles plus détaillés, qui tous en dérivent et l'admettent comme cas particulier<ref name=manceau/> :

* l'[[équation de Cole-Cole]] introduit un facteur <math>\alpha\leq1</math>, qui permet d'aplatir la [[réponse en fréquence]] :
:<math>\epsilon = \epsilon_\infty + \frac{\epsilon_{stat}-\epsilon_\infty}{1+(i\omega\tau)^\alpha}</math>

* l'équation de Davidson-Cole asymétrise la réponse en fréquence :
:<math>\epsilon = \epsilon_\infty + \frac{\epsilon_{stat}-\epsilon_\infty}{(1+i\omega\tau)^\beta}</math>

* l'équation de Havriliak-Negami se présente comme une combinaison des précédentes : 
:<math>\epsilon = \epsilon_\infty + \frac{\epsilon_{stat}-\epsilon_\infty}{(1+(i\omega\tau)^\alpha)^\beta}</math>

Si la relaxation diélectrique existe pour tous les mécanismes de polarisation, elle est particulièrement importante pour la polarisation par orientation, donc le temps de relaxation est le plus long. Ainsi dans l'exemple de l'eau, la polarisation par relaxation a un temps de relaxation <math>\tau</math> de {{nb|9.3 ps}}. La loi de Debye calculée pour cette relaxation donne un maximum de pertes à {{unité|17|GHz}}, et elle prédit parfaitement la permittivité de l'eau jusqu'à environ {{unité|100|GHz}} {{incise|à ces fréquences seulement, les autres phénomènes interviennent<ref>{{Article |langue=en |prénom1=Ivan |nom1=Popov |prénom2=Paul Ben |nom2=Ishai |prénom3=Airat |nom3=Khamzin |prénom4=Yuri |nom4=Feldman |titre=The mechanism of the dielectric relaxation in water |périodique=Physical Chemistry Chemical Physics |volume=18 |numéro=20 |date=2016 |issn=1463-9076 |issn2=1463-9084 |doi=10.1039/C6CP02195F |lire en ligne=http://xlink.rsc.org/?DOI=C6CP02195F |consulté le=2020-11-05 |pages=13941–13953}}.</ref>.|incise stop}}

Dans un matériau donné, <math>\tau</math> dépend, à la baisse, de la température : en effet l'[[agitation thermique]] facilite la réorientation du dipôle<ref name=manceau/>.

=== Phénomènes de réfraction, de réflexion et d'absorption ===

[[Fichier:Indice de refraction fused silica.png|vignette|L'indice de réfraction d'un matériau, ici un [[verre]] de silice, varie en fonction de la longueur d'onde, ce qui reflète les relaxations diélectriques.]]

La polarisation créée dans le milieu diélectrique intervient dans des phénomènes mettant en jeu des [[onde électromagnétique|ondes électromagnétiques]], comme la [[lumière]], car elles présentent un champ électrique. Les [[équations de Maxwell]] permettent alors de montrer que la partie réelle de <math>\chi\, </math> modifie la vitesse ''c'' d'une onde lumineuse se propageant dans le matériau par rapport à la vitesse ''c<sub>0</sub>'' qu'elle aurait dans le vide selon la relation suivante, valable dans les matériaux magnétiquement inertes (c'est-à-dire dont la [[perméabilité magnétique]] reste égale à celle du vide)<ref>{{Ouvrage|auteur1=Born, Max|titre=Principles of optics: electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light|éditeur=Pergamon Press |date=1980 |isbn=0-08-026482-4 |isbn2=0-08-026481-6|isbn3=978-0-08-026481-3|oclc=7106160|lire en ligne=https://www.worldcat.org/oclc/7106160|consulté le=2020-11-08}}.</ref> :
:<math>c_0=c\sqrt{1+\Re(\chi_{e})}</math>.

Cela correspond exactement à la définition de l'[[indice de réfraction]] ''n'' d'un milieu : <math>c_0=c\; n</math>. Cela explique donc le phénomène de [[réfraction]] de la lumière. D'autre part, la partie imaginaire correspond à une [[absorption (optique)|absorption]] de la lumière par le matériau. Lorsque le matériau est [[Anisotropie|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<ref>{{Article|langue=en|prénom1=Karin|nom1=Wiesauer|prénom2=Christian|nom2=Jördens|titre=Recent Advances in Birefringence Studies at THz Frequencies|périodique=Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves|volume=34|numéro=11|date=2013-11-01|issn=1866-6906|doi=10.1007/s10762-013-9976-4|lire en ligne=https://doi.org/10.1007/s10762-013-9976-4|consulté le=2022-09-05|pages=663–681}}</ref>.

La [[Réflexion optique|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<ref>{{Lien web |langue=en |titre=Frustrated Total Internal Reflection |url=https://sciencedemonstrations.fas.harvard.edu/presentations/frustrated-total-internal-reflection |site=sciencedemonstrations.fas.harvard.edu |consulté le=2022-09-05}}</ref>.

=== Claquage diélectrique ===
{{article connexe|Tension de claquage|Rigidité diélectrique}}

Le claquage diélectrique est le phénomène par lequel un diélectrique, soumis à un champ électrique trop important {{incise|dépassant une valeur appelée la « rigidité diélectrique » du matériau}}, devient conducteur (provoquant un [[arc électrique]]). Les mécanismes sous-jacents sont assez différents dans le cas d'un fluide ou d'un solide.

==== Dans un gaz ====
[[File:Fluorescent beat effect.ogv|thumb|right|Allumage d'un [[tube fluorescent]].]]
Dans un [[gaz]], la rigidité diélectrique dépend de la pression, passant par un minimum ([[loi de Paschen]]). Plusieurs mécanismes de claquage existent. À pression ambiante (et de façon plus générale, au-dessus du minimum de Paschen), le mécanisme usuel est la décharge impulsionnelle. Les [[ion]]s qui existent naturellement dans un gaz sont accélérés par le champ électrique, et, par collision avec les molécules neutres, peuvent produire de nouveaux ions. Passé un champ électrique suffisant, ceci devient une [[Réaction chimique en chaîne|réaction en chaîne]], le gaz devient conducteur. Le processus de [[John Townsend|Townsend]], plus important à basse pression, répond à une logique similaire, mais concerne les [[électron]]s libres présents dans le gaz, qui arrachent d'autres électrons par collision avec les molécules. Dans le [[Vide (physique)|vide]] ou dans un gaz à très faible pression, un troisième mécanisme se manifeste : le [[claquage du vide]] se produit lorsque la distance entre les électrodes devient inférieure au temps de vol libre moyen d'un électron, leur permettant de « sauter » de la [[cathode]] à l'[[anode]]<ref>{{Article |prénom1=P. |nom1=Osmokrovic |prénom2=I. |nom2=Krivokapic |prénom3=S. |nom3=Krstic |titre=Mechanism of electrical breakdown left of Paschen minimum |périodique=IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation |volume=1 |numéro=1 |date=Feb./1994 |doi=10.1109/94.300234 |lire en ligne=http://ieeexplore.ieee.org/document/300234/ |consulté le=2020-11-01 |pages=77–81}}.</ref>. La [[lampe à décharge]] est une application usuelle du claquage diélectrique des gaz<ref>{{Article |prénom1=M F |nom1=Gendre |prénom2=M |nom2=Haverlag |prénom3=G M W |nom3=Kroesen |titre=Optical and electrostatic potential investigations of electrical breakdown phenomena in a low-pressure gas discharge lamp |périodique=Journal of Physics D: Applied Physics |volume=43 |numéro=23 |date=2010-06-16 |issn=0022-3727 |issn2=1361-6463 |doi=10.1088/0022-3727/43/23/234004 |lire en ligne=https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0022-3727/43/23/234004 |consulté le=2021-01-22 |pages=234004}}.</ref>.

==== Dans un liquide ====

Dans un liquide, plusieurs mécanismes de claquages diélectriques peuvent exister. On distingue : 
* des phénomènes ''électroniques'', très rapides (sous la [[microseconde]]). Il s'agit de la libération d'électrons par avalanche, comme dans les gaz<ref name=jones>{{Article |prénom1=H M |nom1=Jones |prénom2=E E |nom2=Kunhardt |titre=Development of pulsed dielectric breakdown in liquids |périodique=Journal of Physics D: Applied Physics |volume=28 |numéro=1 |date=1995-01-14 |issn=0022-3727 |issn2=1361-6463 |doi=10.1088/0022-3727/28/1/025 |lire en ligne=https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0022-3727/28/1/025 |consulté le=2021-03-12 |pages=178–188}}</ref> ;
* des phénomènes ''thermiques'', d'une durée supérieure à la microseconde, qui se manifestent par la formation de [[Bulle (physique)|bulles]]. Si le liquide est très pur, en l'absence de sites de [[nucléation]], il peut passer dans un état de [[Surfusion|surchauffe]], c'est-à-dire dépasser son [[point d'ébullition]] tout en restant liquide, une ébullition très brutale se produit alors quand la température [[Point critique (thermodynamique)|critique]] est atteinte. En revanche, si des impuretés sont présentes, elles jouent le rôle de site de nucléations et le phénomène est plus progressif<ref name=Atrazhev>{{Article |prénom1=Vladimir M. |nom1=Atrazhev |prénom2=Vladimir S. |nom2=Vorob'ev |prénom3=Igor V. |nom3=Timoshkin |prénom4=Martin J. |nom4=Given |titre=Mechanisms of Impulse Breakdown in Liquid: The Role of Joule Heating and Formation of Gas Cavities |périodique=IEEE Transactions on Plasma Science |volume=38 |numéro=10 |date=2010-10 |issn=0093-3813 |issn2=1939-9375 |doi=10.1109/TPS.2010.2046337 |lire en ligne=http://ieeexplore.ieee.org/document/5458088/ |consulté le=2021-03-12 |pages=2644–2651}}.</ref>.

L'intérêt de l'étude du claquage des liquides est double. D'un côté, il s'agit de l'éviter pour les liquides utilisés comme isolants, notamment dans les transformateurs. De l'autre, le claquage intentionnel des liquides est utilisé, notamment comme source acoustique pour les [[sonar]]s et la [[Prospection (géologie)|prospection pétrolière]]<ref name=jones/>{{,}}<ref name=Atrazhev/>.

==== Dans un solide ====
[[Fichier:PlanePair2.jpg|vignette|[[Figure de Lichtenberg]], trace du claquage diélectrique dans un solide, ici obtenu délibérément à fin décorative.|alt=bloc de matériau transparent avec une inclusion ressemblant à un éclair finement subdivisé.]]
Dans un solide, le claquage diélectrique est destructif : le diélectrique perd définitivement ses propriétés. Ici encore, il existe plusieurs mécanismes. Les mécanismes les plus rapides nécessitent les champs les plus élevés. Une fois que le claquage a eu lieu, le champ électrique s'effondre et les mécanismes plus lents n'ont plus l'occasion de se produire<ref>{{Article |prénom1=Liang |nom1=Zhao |titre=Theoretical calculation on formative time lag in polymer breakdown on a nanosecond time scale |périodique=IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation |volume=27 |numéro=4 |date=2020-08 |issn=1070-9878 |issn2=1558-4135 |doi=10.1109/TDEI.2019.008127 |lire en ligne=https://ieeexplore.ieee.org/document/9160398/ |consulté le=2020-11-01 |pages=1051–1058}}.</ref> :
* le claquage intrinsèque est celui qui nécessite le champ le plus élevé, et le plus rapide. Des électrons présents dans la bande de conduction, accélérés par le champ, entrent en collision avec les atomes du matériau, et libèrent de nouveaux électrons. La durée de vie des électrons de conduction est limitée, le phénomène devenant exponentiel quand le nombre d'électrons engendrés est supérieur au nombre d'électrons qui retombent dans la [[bande de valence]] ;
* le claquage par avalanche est dû à la génération d'électrons par collision, à partir d'un électron libre injecté à la cathode. Il est dépendant de la géométrie (se manifestant à partir des pointes) ;
* le claquage thermique est dû à la fuite de courant à travers le diélectrique. Sa [[Conductivité électrique|conductivité]] n'étant pas nulle, un faible courant le traverse, provoquant un échauffement [[Chauffage ohmique|ohmique]]. S'il devient trop important pour la [[dissipation]] de chaleur possible, le phénomène devient destructif. Ce type de claquage est donc relativement lent, l'[[capacité thermique|inertie thermique]] du matériau empêchant une élévation instantanée de la température ;
* le claquage électrochimique est un phénomène assez lent, dû à une dégradation chimique d'un matériau constamment soumis à un champ électrique par des [[réaction chimique|réactions chimiques]] avec le milieu ambiant (air, humidité…).

=== Piézoélectricité et phénomènes associés ===
{{article détaillé|Piézoélectricité|Pyroélectricité|Ferroélectricité}}

Les matériaux [[piézoélectricité|piézoélectriques]] sont une famille de diélectriques solides. Ce sont des cristaux ioniques (alternance d'[[anion]]s et de [[cation]]s) présentant une [[structure cristalline]] non [[centrosymétrie|centrosymétrique]], c'est-à-dire qu'il y a une asymétrie dans le répartition des [[raideur]]s mécaniques entre les ions. Pour ces matériaux, la polarisation ionique est associée à une [[déformation élastique]]. Ainsi, en comprimant ou en étirant le matériau, on crée un champ électrique en son sein, réciproquement, il se déforme lorsqu'il est soumis à un champ électrique. Vingt [[classe cristalline|classes cristallines]] présentent des propriétés piézoélectriques. Ces matériaux sont fondamentalement [[isotropie|anisotropes]] : ils ont un axe privilégié, un champ appliqué sur cet axe tend à dilater ou à comprimer le matériau selon la direction<ref>{{Ouvrage|auteur1=Brissaud, Michel|titre=Matériaux piézoélectriques : Caractérisation, modélisation et vibration|éditeur=Presses polytechniques et universitaires romandes|date=2007|isbn=978-2-88074-692-6|isbn2=2-88074-692-2|oclc=180695932|lire en ligne=https://www.worldcat.org/oclc/180695932|consulté le=2020-11-28}}.</ref>.

Les [[pyroélectricité|pyroélectriques]] sont un sous-ensemble des piézoélectriques : dix des vingt classes piézoélectriques sont aussi pyroélectriques. L'effet pyroélectrique est une modification de la polarisation spontanée du matériau sous l'effet d'un changement de température. Enfin les [[ferroélectricité|ferrélectriques]] sont une classe de pyroélectriques qui peuvent être ''repolarisés'' : en appliquant un champ électrique suffisant, on peut modifier, ou même inverser, leur polarisation, et ce changement perdure après le retour à un champ nul<ref name="Levy" />.

=== Électrophorèse, diélectrophorèse et électrorotation ===
{{article détaillé|Électrophorèse|Diélectrophorèse|Électrorotation}}
Ces trois phénomènes concernent des particules en suspension dans un liquide diélectrique, en présence d'un champ électrique<ref>{{Article |langue=en |prénom1=Ronald |nom1=Pethig |titre=Review Article—Dielectrophoresis: Status of the theory, technology, and applications |périodique=Biomicrofluidics |volume=4 |numéro=2 |date=2010-06 |issn=1932-1058 |pmid=20697589 |pmcid=PMC2917862 |doi=10.1063/1.3456626 |lire en ligne=http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.3456626 |consulté le=2020-11-30 |pages=022811}}.</ref> :
* l'[[électrophorèse]] concerne les particules chargées, elles sont attirées dans la direction du champ, ou dans la direction opposé selon le signe de leur charge ;
* l'[[électrorotation]] concerne une particule neutre, mais polarisée, elle tourne grâce au [[Moment d'une force|moment]] que le champ applique sur elle ;
* la [[diélectrophorèse]] concerne aussi une particule neutre polarisée, qui est attirée par le [[gradient]] de l'amplitude du champ.

== Diélectriques solides ==
Les diélectriques étant de bons [[Isolant électrique|isolants électriques]] et [[Isolant thermique|thermiques]], et sont donc utilisés pour gainer les [[Fil électrique|câbles électriques]] afin d'éviter des contacts avec d'autres câbles ou des personnes.

Les diélectriques sont utiles dans les [[Condensateur (électricité)|condensateur]]s. Dans le cas, très simple, du [[condensateur plan]], on peut rapprocher les plaques sans risque de contact ou de [[Claquage (électronique)|claquage]]. On insère ainsi des couches de diélectriques dans les condensateurs industriels, ce qui permet d'augmenter la [[Capacité électrique|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 [[Transparence (physique)|transparents]] dans de larges gammes de fréquences, et sont parfois utilisés en [[optique]] pour constituer une [[Traitement antireflet|couche anti-reflet]], par exemple sur certains modèles de [[Verre correcteur|verres de lunette]].

=== Haute tension et électrotechnique ===

[[Fichier:Flashed_cabletop.JPG|thumb|Ancien isolateur en verre pour ligne haute tension (années 1940).]]

Dans le domaine de la [[haute tension]] et en [[électrotechnique]] :
* le [[verre]], utilisé pour faire des [[isolateur]]s de [[ligne à haute tension|lignes haute tension]]{{sfn|Kuechler|2005|p=266-306}} ;
* la [[Céramique technique|céramique]], très utilisée pour les matériels [[Haute tension B|HTB]] des [[poste électrique|postes électriques]]{{sfn|Kuechler|2005|p=266-306}} ;
* la plupart des plastiques, en particulier [[polyéthylène]] sous sa forme réticulée (XLPE) et [[Polychlorure de vinyle|PVC]], tous deux utilisés pour les câbles{{sfn|Kuechler|2005|p=266-306}} ;
* le [[polypropylène]], utilisé en particulier dans les [[Condensateur (électricité)|condensateur]]s en [[Haute tension A|HTA]] ou [[Haute tension B|HTB]]{{sfn|Kuechler|2005|p=266-306}} ;
* le [[mica]], qui n'est guère plus utilisé de nos jours dans l'industrie électrotechnique ;
* le [[Téflon]], utilisé pour certaines pièces des [[disjoncteur à haute tension|disjoncteurs à haute tension]]{{sfn|Kuechler|2005|p=266-306}} ;
* le papier imprégné d'huile minérale sert à former l'isolation des [[transformateur de puissance|transformateurs]]{{sfn|Kuechler|2005|p=266-306}} ;
*  la [[résine époxyde]] est utilisée dans les [[Traversée isolée|traversées électriques]].

=== Composants discrets et cartes électroniques ===
[[Fichier:Capacitors (7189597135).jpg| vignette |droite|Différents types de [[condensateur]]s. |alt=collection de composants électroniques. Tailles et formes variés, tous ont deux pattes.]]
{{article détaillé|Condensateur}}

Pour la production de [[circuit imprimé|circuits imprimés]] et de façon plus générale l'appareillage électrique, la [[Bakélite]] fut autrefois très utilisée. Elle a assez largement été supplantée par la résine époxyde et les [[matériau composite|composites]] l'utilisant, comme le [[FR-4]]<ref>{{Ouvrage|prénom1=Jack|page=2|nom1=Arabian|titre=Computer integrated electronics manufacturing and testing|éditeur=Marcel Dekker|date=1989|isbn=978-1-000-10368-7|isbn2=1-000-10368-4|oclc=1200290195|lire en ligne=https://www.worldcat.org/oclc/1200290195|consulté le=2022-09-05}}</ref>. Les [[condensateur]]s discrets sont de type [[électrolyte|électrolytique]] pour les très grandes valeurs, les autres utilisent des diélectriques. On trouve ici plusieurs familles de diélectriques, selon les applications visées<ref>{{Article |prénom1=Agata |nom1=Skwarek |titre=Guest editorial |périodique=Circuit World |volume=45 |numéro=1 |date=2019-02-04 |issn=0305-6120 |issn2=0305-6120 |doi=10.1108/cw-02-2019-106 |lire en ligne=http://dx.doi.org/10.1108/cw-02-2019-106 |consulté le=2020-11-07 |pages=1–1}}.</ref> : 
* différents [[polymère]]s peuvent être utilisés comme diélectrique : [[polyéthylène]], [[polypropylène]], polymère à base de [[benzocyclobutène]] (BCB), [[polyépoxyde]], [[Mylar]], [[polycarbonate]]{{etc.}} Ces plastiques ont une permittivité relative modeste, en général entre 2,5 et 4, ce qui limite la valeur des capacités réalisables dans un volume donné. Ils ont d'excellentes propriétés en fréquence : faible pertes, faible effet batterie ;
* des [[céramique technique|céramiques]] paraélectriques sont utilisées : [[Dioxyde de silicium|oxyde de silicium]], [[nitrure de silicium]], [[alumine]], [[nitrure d'aluminium]]. Leur permittivité est un peu plus élevée. Elles peuvent former des capacités plus importantes et tenir des tensions plus élevées, mais ont de moins bonnes caractéristiques en fréquence ;
* des matériaux [[ferroélectricité|ferroélectriques]] en couche épaisse permettent de réaliser des capacités de plus grandes valeurs. Ces capacités ont un mauvais comportement en fréquence et sont plutôt adaptés au [[Stockage de l'énergie|stockage d'énergie]] ;
* certains condensateurs utilisent un film polymère chargée de poudre ferroélectrique pour augmenter la permittivité<ref>{{Article|langue=en|prénom1=Yanda|nom1=Jiang|prénom2=Mengjun|nom2=Zhou|prénom3=Zhonghui|nom3=Shen|prénom4=Xin|nom4=Zhang|titre=Ferroelectric polymers and their nanocomposites for dielectric energy storage applications|périodique=APL Materials|volume=9|numéro=2|date=2021-02-01|issn=2166-532X|doi=10.1063/5.0039126|lire en ligne=https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0039126|consulté le=2022-09-04|pages=020905}}</ref> ;
* le [[papier]] imprégné d'huile fut largement utilisé, mais est considéré comme obsolète<ref>{{Article |prénom1=T. |nom1=Oshi |prénom2=S. |nom2=Tsukao |prénom3=T. |nom3=Ishii |prénom4=S. |nom4=Itahashi |titre=Properties of aged oil impregnated paper power capacitor |périodique=Proceedings of the 7th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials (Cat. No.03CH37417) |volume=1 |éditeur=IEEE |date=2003 |isbn=978-0-7803-7725-7 |doi=10.1109/ICPADM.2003.1218398 |lire en ligne=http://ieeexplore.ieee.org/document/1218398/ |consulté le=2020-11-10 |pages=246–249}}.</ref>.

=== Microélectronique ===

La microélectronique [[Complementary metal oxide semi-conductor|CMOS]] utilise plusieurs diélectriques. L'[[Dioxyde de silicium|oxyde de silicium]] {{fchim|SiO|2}} est le plus facile à produire dans une filière [[silicium]], et a été le premier utilisé et reste le plus courant. Des diélectriques à plus haute permittivité ont ensuite été utilisés, comme l'[[alumine]], l'oxyde de [[Tantale (chimie)|tantale]] et l'oxyde de [[titane]]<ref>{{Article |langue=en |prénom1=G. |nom1=Ghibaudo |prénom2=R. |nom2=Clerc |prénom3=E. |nom3=Vincent |prénom4=S. |nom4=Bruyère |titre=Gate dielectrics for ultimate CMOS technologies – Limitations and alternative solutions |périodique=Comptes Rendus de l'Académie des Sciences - Series IV - Physics |volume=1 |numéro=7 |date=2000-09 |doi=10.1016/S1296-2147(00)01085-4 |lire en ligne=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1296214700010854 |consulté le=2020-10-30 |pages=911–927}}.</ref>.

À l'inverse, selon les applications, il peut être souhaitable d'avoir des diélectriques à faible permittivité. Pour cela, sont apparues des silices dopées fluor, avec un <math>\epsilon_r</math> de l'ordre de 3,5 au lieu de 3,9<ref name="porous" />, des polymères utilisés comme diélectriques<ref>{{Article |langue=en |prénom1=S. |nom1=Kurinchyselvan |prénom2=A. |nom2=Hariharan |prénom3=P. |nom3=Prabunathan |prénom4=P. |nom4=Gomathipriya |titre=Fluorinated polyimide nanocomposites for low K dielectric applications |périodique=Journal of Polymer Research |volume=26 |numéro=9 |date=2019-09 |issn=1022-9760 |issn2=1572-8935 |doi=10.1007/s10965-019-1852-z |lire en ligne=http://link.springer.com/10.1007/s10965-019-1852-z |consulté le=2020-12-06 |pages=207}}.</ref> et des diélectriques [[porosité|poreux]]<ref name=porous>{{Article |langue=en |prénom1=M.R. |nom1=Baklanov |prénom2=K.P. |nom2=Mogilnikov |titre=Non-destructive characterisation of porous low-k dielectric films |périodique=Microelectronic Engineering |volume=64 |numéro=1-4 |date=2002-10 |doi=10.1016/S0167-9317(02)00807-9 |lire en ligne=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0167931702008079 |consulté le=2020-12-06 |pages=335–349}}.</ref>

La filière [[Semi-conducteur III-V|III-V]] et notamment [[arséniure de gallium]] est pénalisée par le fait de ne pas disposer de diélectriques faciles à intégrer dans ses composants (comme pour réaliser des [[Transistor à effet de champ à grille métal-oxyde|MOSFET]]), comme l'est le {{fchim|SiO|2}} pour la filière silicium. Une des solutions est le [[Atomic Layer Deposition|dépôt de couche atomique]] d'alumine<ref>{{Article |prénom1=P.D. |nom1=Ye |prénom2=G.D. |nom2=Wilk |prénom3=J. |nom3=Kwo |prénom4=B. |nom4=Yang |titre=GaAs MOSFET with oxide gate dielectric grown by atomic layer deposition |périodique=IEEE Electron Device Letters |volume=24 |numéro=4 |date=2003-04 |issn=0741-3106 |issn2=1558-0563 |doi=10.1109/LED.2003.812144 |lire en ligne=http://ieeexplore.ieee.org/document/1206840/ |consulté le=2020-11-07 |pages=209–211}}.</ref>.

== Diélectriques fluides ==

=== Liquides ===
Dans les liquides :
* l'[[huile pour transformateur|huile minérale]], utilisée dans les [[transformateur]]s{{sfn|Kuechler|2005|p=266-306}} ;
* l'[[Huile pour transformateur#Huile de silicone|huile de silicone]]{{sfn|Kuechler|2005|p=266-306}} ;
* l'[[Huile pour transformateur#Huile végétale ou ester naturel|huile végétale]], innovation récente dans l'isolation diélectrique dans les transformateurs électriques{{sfn|Kuechler|2005|p=266-306}} ;
* le [[pyralène]] (PCB), autrefois utilisé dans les [[transformateur]]s, mais depuis interdit dans la plupart des pays à cause de sa toxicité{{sfn|Kuechler|2005|p=266-306}} ;
* l'[[eau pure]]. Si l'eau est habituellement conductrice, une eau parfaitement pure est un très bon isolant. La difficulté de garder dans la durée une eau très pure rend toute utilisation industrielle difficile{{sfn|Kuechler|2005|p=266-306}} ;
* l'[[azote liquide]], l'[[hélium liquide]] ou le SF{{ind|6}} permettent d'isoler des composants [[supraconducteur]]s à très basse température{{sfn|Kuechler|2005|p=266-306}}.

=== Gazeux ===
* L'[[air]] sec, qui a l'avantage d'être abondant{{sfn|Kuechler|2005|p=266-306}}.
* L'[[hexafluorure de soufre]] (SF{{ind|6}}), qui sous pression a une meilleure rigidité diélectrique que l'air{{sfn|Kuechler|2005|p=266-306}}.
* Le [[diazote]], qui n'est pas aussi isolant que le SF{{ind|6}} mais, étant présent dans l'air, n'a pas d'effet néfaste sur l'environnement en cas de fuite{{sfn|Kuechler|2005|p=266-306}}.

== Caractérisation des propriétés diélectriques ==
Différentes techniques sont utilisées pour mesurer les propriétés d'intérêt d'un matériau diélectrique pour l'électrique et la [[microélectronique]], comme la permittivité, le facteur de perte, la rigidité diélectrique, la conductivité électrique, chacun de ces paramètres pouvant être évalué dans des gammes de fréquences variées, et pouvant éventuellement être dépendant de la [[température]], des dimensions de l'échantillon, de la qualité du matériau{{etc.}}<ref>{{Chapitre|langue=en|prénom1=Turgut|nom1=Ozturk|prénom2=Muhammet|nom2=Tahir Güneşer|titre chapitre=Measurement Methods and Extraction Techniques to Obtain the Dielectric Properties of Materials|titre ouvrage=Electrical and Electronic Properties of Materials|éditeur=IntechOpen|date=2019-01-16|isbn=978-1-78984-929-5|doi=10.5772/intechopen.80276|lire en ligne=https://www.intechopen.com/books/electrical-and-electronic-properties-of-materials/measurement-methods-and-extraction-techniques-to-obtain-the-dielectric-properties-of-materials|consulté le=2020-12-06}}.</ref>{{,}}<ref name=Jilani>{{Article |langue=en |auteur1=Muhammad Taha Jilani |titre=A Brief Review of Measuring Techniques for Characterization of Dielectric Materials |périodique=International Journal of Information Technology and Electrical Engineering |date=2012 |issn=2306-708X}}.</ref>.

=== Essais diélectriques ===
[[Fichier:BA75-b2hv-Breakdown-during-transformer-oil-testing.jpg|thumb|Mesure de la rigidité électrique d'une huile minérale.]]
{{article détaillé|Essais diélectriques}}
Les [[essais diélectriques]] visent à déterminer les qualités d'un isolant et sa tension de claquage, en le soumettant à des champs très importants. Ils font l'objet d'un cadre normatif pour la sécurité du matériel haute tension<ref>{{harvsp|Kuechler|2005|p=23}}</ref>.

=== Sonde coaxiale ouverte ===

[[Fichier:Netzwerkanalysator ZVA40 RSD.jpg|thumb|Un analyseur de réseau.|alt=appareil de mesure sur une paillasse. Écran plat, nombreux boutons, quatre prises coaxiales.]]
Cette méthode utilise un [[guide d'ondes]] [[ligne coaxiale|coaxial]] qui se termine en s'ouvrant sur le milieu à tester. Un [[analyseur de réseau]] permet alors de mesurer le taux de réflexion de l'onde. On peut en déduire l'[[impédance caractéristique]] du milieu étudié, et en déduire, notamment, la permittivité (y compris sa partie imaginaire). Cette méthode, simple et non destructive, est largement utilisée et concerne une vaste gamme de [[fréquence]]s, de {{unité|0.5 à 100 GHz}} environ<ref name=Jilani/>.

=== Mesure en transmission ===

Comme dans la méthode précédente, on fait usage d'un analyseur de réseau. Ici la mesure se fait en transmission : l'échantillon étudié est placé sur le chemin du guide d'ondes mesuré. C'est souvent une addition à la mesure précédence, car le coefficient de réflexion peut être mesuré simultanément<ref name=Jilani/>.

=== Mesure à l'air libre ===

Cette technique repose sur le même principe que la précédence, mais aucun guide d'ondes n'est utilisé. On forme un [[quadripôle]] en plaçant deux [[Antenne cornet|antennes cornet]] en regard. Le matériau à caractériser (sous forme d'un panneau) est interposé entre les deux antennes. La mesure des coefficients de transmission et de réflexion permet de caractériser le matériau dans les [[Onde radio|radiofréquences]]<ref name=Jilani/>.

=== Mesure par cavité résonante ===

{{article connexe|Cavité résonnante}}

Cette méthode de mesure consiste à réaliser une [[cavité résonnante]] dans laquelle est placé l'échantillon à caractériser. La modification de la fréquence de résonance et du [[facteur de qualité]] de la cavité (par rapport à son comportement à vide), mesurée à l'aide d'un  [[analyseur de réseau]], donne accès à la permittivité complexe de l'échantillon. Cette méthode permet d'obtenir une mesure à une fréquence précise (liée à la cavité), de l'ordre de plusieurs GHz<ref name=Jilani/>{{,}}<ref>{{Article |langue=en |prénom1=C. P. L. |nom1=Rubinger |prénom2=L. C. |nom2=Costa |titre=Building a resonant cavity for the measurement of microwave dielectric permittivity of high loss materials |périodique=Microwave and Optical Technology Letters |volume=49 |numéro=7 |date=2007-07 |doi=10.1002/mop.22506 |lire en ligne=http://doi.wiley.com/10.1002/mop.22506 |consulté le=2021-01-21 |pages=1687–1690}}.</ref>.

=== Mesure de capacité plane ===

Cette technique fait appel à la définition d'une capacité plane : <math>C = \frac{S\epsilon_0\epsilon_r}{d}</math>. Une capacité à électrodes parallèles est fabriquée en utilisant le matériau à caractériser. Les dimensions (surface <math>S</math> et épaisseur <math>d</math>) étant connues, une mesure de l'[[impédance électrique]] permet de déterminer la permittivité (y compris sa composante imaginaire, c'est-à-dire les pertes). Cette méthode est utile dans des fréquences plus basses que les précédentes, jusqu'au GHz environ<ref name=Jilani/>.

=== Mesures de vieillissement ===
{{...}}

=== En biologie et en médecine ===

En [[histologie]], la caractérisation des propriétés diélectriques des [[Tissu biologique|tissus]] revêt une grande importance : elle est nécessaire pour maitriser les techniques médicales faisant appel aux ondes électromagnétiques, comme l'[[ablation par radiofréquence]], c'est aussi un outil de [[Diagnostic (médecine)|diagnostic]]. La méthode de mesure ''[[in vivo]]'' la plus courante fait appel à une sonde coaxiale appliquée sur la [[peau]]. La mesure du [[Réflexion (physique)|coefficient de réflexion]] en bout de sonde permet d'évaluer la permittivité diélectrique des tissus biologiques<ref>{{Article |langue=en |prénom1=Paul M |nom1=Meaney |prénom2=Andrew P |nom2=Gregory |prénom3=Neil R |nom3=Epstein |prénom4=Keith D |nom4=Paulsen |titre=Microwave open-ended coaxial dielectric probe: interpretation of the sensing volume re-visited |périodique=BMC Medical Physics |volume=14 |numéro=1 |date=2014-12 |issn=1756-6649 |pmid=25002909 |pmcid=PMC4083041 |doi=10.1186/1756-6649-14-3 |lire en ligne=http://bmcmedphys.biomedcentral.com/articles/10.1186/1756-6649-14-3 |consulté le=2020-12-04 |pages=3}}.</ref>{{,}}<ref>{{Article |prénom1=Alessandra La |nom1=Gioia |prénom2=Martin |nom2=O'Halloran |prénom3=Adnan |nom3=Elahi |prénom4=Emily |nom4=Porter |titre=Investigation of histology radius for dielectric characterisation of heterogeneous materials |périodique=IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation |volume=25 |numéro=3 |date=2018-06 |issn=1070-9878 |issn2=1558-4135 |doi=10.1109/TDEI.2018.006912 |lire en ligne=https://ieeexplore.ieee.org/document/8410737/ |consulté le=2020-12-04 |pages=1064–1079}}.</ref>.

=== En géophysique ===
{{article connexe|Radar à pénétration de sol}}
[[File:CSIRO ScienceImage 10755 Dielectrics.jpg|thumb|right|Mesure des propriétés diélectriques d'un échantillon de roche.]]
La mesure des propriétés diélectrique du sous-sol se fait par des [[radar]]s spécialisés, les [[Radar à pénétration de sol|radars à pénétration de sol]]. Cette technique permet par exemple de déceler, dans le sous-sol, la présence d'eau sous forme liquide, de [[neige]] ou de glace<ref>{{Article |langue=en |prénom1=R.J. |nom1=Galley |prénom2=M. |nom2=Trachtenberg |prénom3=A. |nom3=Langlois |prénom4=D.G. |nom4=Barber |titre=Observations of geophysical and dielectric properties and ground penetrating radar signatures for discrimination of snow, sea ice and freshwater ice thickness |périodique=Cold Regions Science and Technology |volume=57 |numéro=1 |date=2009-06 |doi=10.1016/j.coldregions.2009.01.003 |lire en ligne=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0165232X09000068 |consulté le=2020-12-06 |pages=29–38}}.</ref>, d'assister la prospection [[archéologie|archéologique]]<ref>{{Article |langue=en |prénom1=Wenke |nom1=Zhao |prénom2=Emanuele |nom2=Forte |prénom3=Michele |nom3=Pipan |prénom4=Gang |nom4=Tian |titre=Ground Penetrating Radar (GPR) attribute analysis for archaeological prospection |périodique=Journal of Applied Geophysics |volume=97 |date=2013-10 |doi=10.1016/j.jappgeo.2013.04.010 |lire en ligne=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0926985113000906 |consulté le=2020-12-06 |pages=107–117}}.</ref> ou de quantifier la pollution par des [[hydrocarbure]]s<ref>{{Article |langue=en |prénom1=John H. |nom1=Bradford |prénom2=Esther L. |nom2=Babcock |prénom3=Hans-Peter |nom3=Marshall |prénom4=David F. |nom4=Dickins |titre=Targeted reflection-waveform inversion of experimental ground-penetrating radar data for quantification of oil spills under sea ice |périodique=GEOPHYSICS |volume=81 |numéro=1 |date=2016-01-01 |issn=0016-8033 |issn2=1942-2156 |doi=10.1190/geo2015-0170.1 |lire en ligne=https://library.seg.org/doi/10.1190/geo2015-0170.1 |consulté le=2020-12-06 |pages=WA59–WA70}}.</ref>.

== Notes et références ==
{{Références}}

== Voir aussi ==
=== Articles connexes ===
* [[Conducteurs d’électricité]]
* [[Tension de claquage]]

=== Bibliographie ===
* {{Ouvrage|langue=de|prénom1=Andreas|nom1=Kuechler|titre=Hochspannungstechnik, Grundlagen, Technologie, Anwendungen|éditeur=Springer|lieu=Berlin|année=2005|pages totales=543|isbn=3-540-21411-9|lire en ligne=https://books.google.fr/books?id=Yd3ZUMrW2GsC&pg=PA366&dq=stromwandler|consulté le=10 avril 2012}}.

=== Liens externes ===
* [https://groups.ijclab.in2p3.fr/simulations-pour-cours-de-physique/2016/06/30/dipoles-susceptibilite/ Simulation de dipôles électriques et magnétiques, de volumes diélectriques et ferromagnétiques], université Paris XI

{{Palette|Polarisation électrique}}
{{Portail|physique|électricité et électronique}}

[[Catégorie:Diélectrique|*]]