Diélectrique

matériau qui ne contient pas de charges électriques susceptibles de se déplacer de façon macroscopique

Un milieu est diélectrique (mot composé du préfixe dia (δια)- (au travers) et électrique[1]) s'il ne contient pas de 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. Quelques exemples de milieux diélectriques : le vide, le verre, le bois sec, l'eau, (qui n'est pas un isolant) de nombreux plastiquesetc.

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.

Les diélectriques ne sont cependant pas inertes électriquement. En effet, les constituants du matériau peuvent présenter à l'échelle atomique des dipôles électrostatiques, qui interagiront avec un champ électrique externe appliqué. Cette interaction se traduit par la création d'une polarisation reliée au niveau microscopique à ce champ électrique par la polarisabilité, et au niveau macroscopique, par la susceptibilité électrique .

Définitions et grandeurs caractéristiquesModifier

Les matériaux diélectriques sont caractérisés en particulier par [2]:

DéfinitionsModifier

Les mots isolant et diélectrique tendent à être utilisés comme des synonymes[3]. Un isolant est un matériaux dont la conductivité électrique est faible. La borne maximale est relativement arbitraire. Un diélectrique se caractérise par l'apparition d'une polarisation lorsque le matériaux est soumis à un champ[4].

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 est un isolant non-diélectrique, 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 matériaux à bloquer le courant, de diélectrique quand on s'intéresse à sa capacité à se polariser[5].

Certaines propriétés diélectriques sont cependant définies pour des matériaux qui ne sont pas isolants. On peut ainsi déterminer la permittivbité des semi-conducteurs[6].

Les matériaux piézeoélectriques sont un sous-ensemble des diélectriques solides cristallins, chez lesquels il existe une relation entre champs électrique et déformation mécanique.

Permittivité et susceptibilitéModifier

La permittivité se définit comme le rapport entre le vecteur 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[7].

 

La permittivité est un simple scalaire dans un matériau isotrope. Néanmoins, dans les matériaux anisotrope, elle prend la forme d'une matrice (3,3), et le vecteur de déplacement n'est alors pas nécessairement colinéaire au vecteur champ électrique[8] :

 

La permittivité se mesure en farad par mètre. On utilise souvent la permittivité relative, ou constante diélectrique du matériaux, c'est à dire normée par rapport à celle du vide, qui vaut 8,854 × 10−12 F m−1[9] :

 

Le vecteur polarisation est l'incrément de   par rapport à sa valeur dans le vide :  

La susceptibilité   vaut donc   (ou   moins la matrice identité dans le cas non-isotrope).

Évaluation des pertes en régime alternatifModifier

En régime alternatif, la permittivité est complexe. La convention est de noter   sa partie réelle et, la partie imaginaire étant négative,   son opposé[10].

 

La partie imaginaire de la permittivité exprime une dissipation d'énergie. Dans le cas d'une capacité plane de surface   et d'entrefer  , elle se traduit par une partie réelle positive de l'impédance :

 

 

 

L'angle de perte   est une façon usuelle de formuler l'importance de la dissipation d'énergie :

 

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 le plus faibles possible dans la gamme de fréquence de l'application[10]. L'inverse du   est appelé facteur de qualité et noté  [11].

Phénomènes physiques dans les milieux diélectriquesModifier

Création d'une polarisationModifier

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). Le troisième mécanisme présent est la réorientation, sous l'effet du champ appliqué, de dipôle existants (comme les molécules d'eau).

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

Un quatrième mécanisme, la polarisation d'interface, existe dans les matériaux granulaires.

Polarisation électroniqueModifier

La 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[12].

Un modèle simple consiste à représenter les électrons comme étant reliés au noyau par une raideur  [13]. On peut alors écrire, dans une approche classique, l'équation du mouvement de l'élection soumis à un champs électrique sinusoidal :

 

  est la charge élémentaire,   est un rappel élastique et   un terme d'amortissement. L'équation se résout sous la forme complexe :

 

Polarisation ioniqueModifier

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).

Polarisation d'orientationModifier

La polarisation d'orientation existe lorsque des dipôles déjà sont présents. En l'absence de champs appliqué leur orientation est aléatoire, leur somme est donc nulle. Le champs tend à les alignés, créant une densité de dipôle. C'est le mécanisme dominant dans les liquides, lorsque chaque molécule présente un moment électrique, ce qui caractérise un 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 champs appliqué est très important, les dipôles finissent pas 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 champs trop rapide[14].

La polarisation   est souvent proportionnelle au champ électrique   qui est le champ électrique total après que la matière a été polarisée (ce cas est dit linéaire) :

  ,

avec   la permittivité du vide et   la susceptibilité électrique du matériau, qui est un nombre complexe. Dans le cas d'un diélectrique anisotrope,   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.

Polarisation d'interfaceModifier

Ce quatrième mécanisme de polarisation n'intervient que dans les diélectriques hétérogènes.

Relaxation diélectriqueModifier

 
Permittivité relative et facteur de pertes de l'eau[15], 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[16].

Chacun des mécanismes de polarisation a une limite en fréquence et est donc associée à une relaxation diélectrique, mais les ordres de grandeurs des fréquences concernées sont très différents[17]

  • 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 ( ).
  • Enfin, pour la polarisation atomique, le phénomène se produit au delà de  , 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  . 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[16]. La constante diélectrique prend alors la forme complexe suivante :
 

  étant la fréquence angulaire. Dans cette écriture,   est la permittivité à l'infini (en très haute fréquence), elle est réelle et correspond à la situation où les dipôle ne sont plus du tout mobiles.   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 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[16] :

  • L'équation de Cole-Cole introduit un facteur  , qui permet d'aplatir la réponse en fréquence.

 

  • L'équation de Davidson-Cole asymétrise la réponse en fréquence :

 

  • L'équation de Havriliak-Negami se présente comme une combinaison des précédentes :

 

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  . La loi de Debye calculée pour cette relaxation donne un maximum de pertes à 17 GHz, et elle prédit parfaitement la permittivité de l'eau jusqu'à environ 100 GHz - à ces fréquences seulement les autres phénomènes interviennent[18].

Dans un matériau donné,   dépend, à la baisse, de la température : en effet l'agitation thermique facilite la réorientation du dipôle[16].

Phénomènes de réfraction, de réflexion et d'absorptionModifier

 
L'indice de réfraction d'un matériaux, ici un verre de sicile, varie en fonction de la longueur répondu, ce qui reflète les relaxations diélectriques

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   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 suivante, valable dans les matériaux magnétiquement inertes (c'est à dire dont la perméabilité magnétique reste égale à celle du vide)[19] :

 .

Cela correspond exactement à la définition de l'indice de réfraction n d'un milieu :  . 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.

Claquage diélectriqueModifier

 
Figure de Lichtenberg, trace du claquage diélectrique dans un solide, ici obtenu délibérément à fin décorative.

Le claquage diélectrique est le phénomène par lequel un diélectrique, soumis à un champs électrique trop important - 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 gaz et d'un solide.

Dans un gazModifier

Dans un gaz, la rigidité diélectrique dépend de la pression en passant par un minimum (loi de Paschen). Plusieurs mécanismes de claquages existent. A pression ambiante (et de façon plus générale, au dessus du minimum de Paschen), le mécanisme usual est la décharge impulsionnelle. Les ions qui existent naturelle dans un gaz sont accélérés par le champs électrique, et, par collision avec les molécules neutres, peuvent produire de nouveaux ions. passé un champs électrique suffisant, ceci devient une réaction en chaîne, le gaz devient alors conducteur. Le processus de Townsend, plus important à basse pression, répond à une logique similaire, mais concerne les électrons libres présent dans le gaz, qui arrachent d'autres électrons par collision avec les molécules. Dans le voide 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 inférieur au temps de vol libre moyen d'un électron, leur permettant de "sauter" de la cathode à l'anode[20]. La lampe à décharge est une application usuelle du claquage diélectrique des gaz.

Dans un solideModifier

Dans un solide, le claquage diélectrique est destructif : le diélectrique perd définitivement ses propriétés. Ici encore, il existe plusieurs mécanismes. Les mécanismes les plus plus rapides nécessitent les champs les plus élevés. Une fois que le claquage a eu lieu, le champs s'effondre et les mécanismes plus lent n'ont plus l'occasion de se produite[21] :

  • 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, entre en collision avec les atomes du matériaux, et libèrent de nouveaux électrons. La durée de vie des électrons de conduction est limité, le phénomène devient exponentiel quand le nombre d'électrons générés est supérieur au nombre d'électrons qui retombent dans la bande de valence.
  • Le claquage par avalanche est du 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 due à la fuite de courant à travers le diélectrique. Sa conductivité n'étant pas nul, un faible courant le traverse, provoquant un échauffement ohmique. Si il devient trop important pour la dissipation de chaleur possible, le phénomène devient destructif. Ce type de claquage est donc relativement lent, l'intertie thermique du matériaux empêchant une élévation instantanée de la température.
  • Le claquage électrochimique est un phénomène assez lent, due à une dégradation chimique d'un matériau constamment soumis à un champ électrique par des réactions chimique avec le milieu ambiant (air, humidité...).

Piézoélectricité et phénomènes associésModifier

Les matériaux piézoélectrique sont une famille de diélectriques solides. Ce sont des cristaux ioniques (alternance d'anions et de cations) présentant une structure cristalline non centrosymétrique, c'est à dire qu'il y a une asymétrie dans le répartition des raideurs 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 champs électrique en son sein, réciproquement, il se déforme lorsqu'il est soumis à un champs électrique. Vingt classes cristallines pésentent des propriétés piézoélectriques. Ces matériaux sont fondamentalement anisotropes : ils ont un axe privilégié, un champs appliqué sur cet axe tend à dilater ou à comprimer le matériaux selon la direction[22].

Les pyroélectriques sont un sous-ensemble des piézoélectriques : 10 des 20 classes piézoélectriques sont aussi pyroélectrique. L'effet pyroélectrique est une modification de la polarisation spontanée du matériau sous l'effet d'un changement de température. Enfin les ferrélectriques sont une classe de pyroélectriques qui peuvent être repolarisés : en appliquant un champs électrique suffisant on peut modifier, ou même inverser leur polarisation, et ce changement perdure après le retour à un champ nul[23].

Diélectriques solidesModifier

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 en optique pour constituer une couche anti-reflet, par exemple sur certains modèles de verres de lunette.

Dans le domaine de la Haute tension et en électrotechniqueModifier

 
Ancien isolateur en verre pour ligne haute tensions (années 1940).

Composants discrets et cartes électroniquesModifier

 
Différents types de condensateurs.

Pour la production de circuits imprimés et de façon plus générale l'appareillage électrique, la bakélite fut autrefois très utilisée. Elle a assez largement été supplanté la résine d'époxy et les composites l'utilisant, comme le FR-4. Certains matériaux sous forme cristalline perovskite comme le PZT qui sont actuellement en cours de développement[réf. souhaitée] pour être utilisés comme condensateur à capacité variable.

Les condensateurs discrets sont de type électrolytique pour les très grandes valeurs, les autres utilisent des diélectriques. On trouve ici plusieurs familles de diélectriques, selon les applications visées[24] :

  • Différents polymères peuvent être utilisés comme diélectrique : polyéthylène, polypropylène, BCB, époxy, 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 céramiques paraélectriques sont utilisées : 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 ferroélectriques en couche épaisses permettent de réaliser des capacités de plus grande valeurs. Ces capacités ont un mauvais comportement en fréquence et sont plutôt adaptés au stockage d'énergie.
  • Certains condensateurs utilisent un film polymère chargée de poudre ferroélectrique pour augmenter la permittivité.
  • Le papier imprégné d'huile fut largement utilisé, mais est considéré comme obsolète[25].

MicroélectroniqueModifier

La microélectronique CMOS utilise plusieurs diélectriques. L'oxyde de silicium SiO2 est le plus facile à produire dans une filière silicium, et a été le premier utilisé. Des diélectriques à plus haute permittivité ont ensuite été utilisés, comme l'alumine, l'oxyde de tantale et l'oxyde de titane[26].

La filière 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 MOSFET, comme l'est le SiO2 pour la filière silicium. Une des solutions est le dépôt de couche atomique d'alumine[27].

Diélectriques fluidesModifier

LiquidesModifier

GazeuxModifier

  • l'air sec, qui a l'avantage d'être abondant[2].
  • l'hexafluorure de soufre (SF6), qui sous pression a une meilleure rigidité diélectrique que l'air[2].
  • 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 en cas de fuite[2].

Méthodes de caractérisationModifier

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[28].

Notes et référencesModifier

  1. Définitions lexicographiques et étymologiques de « diélectrique » du Trésor de la langue française informatisé, sur le site du Centre national de ressources textuelles et lexicales, consulté le 19 août 2016.
  2. a b c d e f g h i j k l m n o et p Kuechler 2005, p. 266-306
  3. Encyclopædia Universalis, « DIÉLECTRIQUES », sur Encyclopædia Universalis (consulté le 4 novembre 2020)
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  5. Grécias, Pierre., Physique sup, MPSI & PTSI, Ed. Tec & doc, (ISBN 2-7430-0303-0 et 978-2-7430-0303-6, OCLC 42383341, lire en ligne)
  6. Encyclopædia Universalis, « DIÉLECTRIQUES », sur Encyclopædia Universalis (consulté le 8 novembre 2020)
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  28. Kuechler 2005, p. 23

Différents

Voir aussiModifier

Articles connexesModifier

BibliographieModifier

  • (de) Andreas Kuechler, Hochspannungstechnik, Grundlagen, Technologie, Anwendungen, Berlin, Springer, , 543 p. (ISBN 3-540-21411-9, lire en ligne)

Liens externesModifier