Rigidité diélectrique

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La rigidité diélectrique d’un milieu isolant représente la valeur maximum du champ électrique que le milieu peut supporter avant le déclenchement d’un arc électrique (donc d’un court-circuit).On utilise aussi l'expression champ disruptif qui est synonyme mais plus fréquemment utilisée pour qualifier la tenue d'une installation, alors que le terme rigidité diélectrique est plus utilisé pour qualifier un matériau. Pour un condensateur quand cette valeur est dépassée, l’élément est détruit. La valeur maximale de la tension électrique appliquée aux bornes, est appelée tension de claquage du condensateur.

Exemple[modifier | modifier le code]

Dans le cas d'un disjoncteur à haute tension, c'est la valeur maximum du champ qui peut être supportée après l'extinction de l'arc (l'interruption du courant). Si la rigidité diélectrique est inférieure au champ imposé par le rétablissement de la tension, un réamorçage de l'arc se produit d'où l'échec de la tentative d'interruption du courant.

Cas particulier d'un isolant gazeux[modifier | modifier le code]

Dans le cas d'un isolant gazeux, la rigidité diélectrique dépend de la pression du gaz, selon une relation non linéaire. La Loi de Paschen décrit cette relation.

Le champ disruptif de l'air[modifier | modifier le code]

Comparativement, l'air est un isolant fort. Mais sous de fortes tensions, les électrons qui composent les atomes des molécules de l'air sont littéralement arrachés à leur orbite de valence pour participer à la conduction électrique : la foudre traverse alors l'atmosphère. La valeur du champ disruptif de l'air la plus communément admise est :

\|\vec E_\text{disruptif}(\text{air})\| \approx 3{,}6\times 10^6\; \rm V \cdot m^{-1} \approx 36\,000\; V \cdot cm^{-1}

On peut interpréter de manière très simple cette formule en disant que, dans de l'air sec, il faut une différence de potentiel de 36 000 volts pour faire une étincelle entre deux électrodes planes distantes de 1 centimètre, ou 3 600 volts pour faire une étincelle entre deux électrodes distantes de 1 millimètre. Cette interprétation est plus connue sous le nom de « règle des 30 000 V par cm ».

L'humidité ambiante est évidemment un facteur important, l'eau étant un bien meilleur conducteur que les gaz de l'air. Pour un air saturé en humidité, le champ disruptif peut ainsi tomber à 10 000 V par cm. Ces valeurs permettent d'estimer l'ordre de grandeur des tensions mises en jeu dans le phénomène de la foudre.

Autres gaz diélectriques[modifier | modifier le code]

Des gaz autres que l'air sont utilisés dans l'appareillage à haute tension afin de réduire son encombrement. L'hexafluorure de soufre est largement utilisé en haute tension car son champ disruptif est au moins deux fois supérieur à celui de l'air.

Propriétés particulières[modifier | modifier le code]

La rigidité diélectrique évoque aussi le diélectrique qui est un isolant ou une substance qui ne conduit pas l'électricité et qui est polarisable par un champ électrique. Dans la plupart des cas, les propriétés du diélectrique sont dues à la polarisation de la substance.

  • Lorsqu'un diélectrique, en l'occurrence l'air est placé dans un champ électrique, les électrons et les protons de ses atomes se réorientent et dans certains cas, à l'échelle moléculaire, une polarisation est induite (un phénomène observé dans les dipôles).
  • Cette polarisation engendre une différence de potentiel, ou tension, entre les deux bornes du diélectrique ; celui-ci emmagasine alors de l'énergie qui devient disponible lorsque le champ électrique est supprimé.
  • L'efficacité d'un diélectrique est sa capacité relative à emmagasiner de l'énergie comparée à celle du vide. Elle s'exprime par la permittivité relative, déterminée par rapport à celle du vide.
  • La force diélectrique est la capacité d'un diélectrique à résister aux champs électriques sans perdre ses propriétés isolantes.
  • Un diélectrique efficace libère une grande partie de l'énergie qu'il a emmagasinée lorsque le champ électrique est inversé.

Cas des câbles[modifier | modifier le code]

On peut également parler de champ disruptif dans le cas des câbles électriques, où le cœur (appelé également l'âme) est séparé de la gaine de masse par un isolant. Ici encore, un champ électrique radial trop élevé conduit au claquage de cet isolant, endommageant irréversiblement le câble.

Valeurs numériques[modifier | modifier le code]

Rigidité diélectrique de quelques diélectriques usuels
Matériau Rigidité diélectrique
(kV/mm)
Air 3
Quartz 8
Titanate de strontium 8
Néoprène 12
Nylon 14
Pyrex 14
huile silicone 15
Papier 16
Bakelite 24
Polystyrène 24
Vide réel 25[1]
Vide parfait infini[2]
Teflon 60
Mica 150

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (fr) Cours d’électrotechnique Académie d’Aix-Marseille ; ARC ELECTRIQUE - PROBLEMES de la COUPURE d'un CIRCUIT, voir « Coupure dans le vide » vers le bas de la page.
  2. (fr) [1] Il ne peut avoir de conduction dans un vide parfait sans milieu porteur d'électrons.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

  • Michel Chateau, « Mesures diélectriques, ne vous laissez pas influencer », Mesures, no 669,‎ novembre 1994, p. 57-60 (lire en ligne)