Polarisation (dielectrique)

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Polarisation (diélectrique)

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La polarisation est une grandeur physique macroscopique utilisée dans l'étude des propriétés des matériaux diélectriques. Elle désigne la densité de dipôles électriques. Son unité dans le système international est le C/m2. Ce concept a été introduit par Faraday alors qu'il étudiait le comportement des isolants électriques dans des champs électrostatiques.

Dans un diélectrique parfait, il n'existe pas de charges électriques libres. En particulier, un champ électrique appliqué ne provoque pas de courant électrique. Mais les charges électriques localisées sont susceptibles de se déplacer sur de petites distances ou de vibrer sous l'influence d'un champ électrique : il y a alors apparition d'une polarisation.

Sommaire

Types

Du point de vue microscopique, plusieurs phénomènes interviennent sous l'effet d'un champ électrique :

  • la polarisation électronique due au déplacement et à la déformation du nuage électronique,
  • la polarisation atomique ou ionique due aux déplacements des atomes ou des ions,

Ces phénomènes sont susceptibles de créer de nombreux dipôles électrostatiques microscopiques. La polarisation est la grandeur macroscopique correspondant à la somme, par unité de volume, des moments dipolaires microscopiques. Ainsi, si l'on note \vec p_1, \vec p_2, ..., \vec p_n les n moments dipolaires présents dans une unité de volume du matériau, la polarisation globale est :

\vec{P}=\vec p_1 + \vec p_2 + ... +\vec p_n

Matériaux électriquement ordonnés

Dans certains matériaux, il existe une polarisation électrique à l'état spontané, même en l'absence de champ électrique extérieur. Différents ordres électriques, c'est-à-dire différents arrangements des dipôles électriques dans le matériau, sont alors possibles. La situation est dans le principe similaire aux matériaux magnétiquement ordonnées. C'est d'ailleurs des matériaux magnétiques qu'a été hérité le vocabulaire désignant ces différents ordres.

Dans un matériau ferroélectrique, par exemple PbTiO3, les dipôles électriques dans deux mailles voisines sont alignés dans le même sens.

Dans un matériau antiferroélectrique, par exemple PbZrO3, les dipôles électriques dans deux mailles voisines sont alignés dans des directions opposées.

Polarisation induite par un champ, susceptibilité électrique

Dans le cas où la polarisation est due à un champ électrique \vec E appliqué au matériau, on écrit au premier ordre que la polarisation induite est simplement proportionnelle au champ électrique :

\vec P = \epsilon_0 \chi \vec E

\epsilon_0\, est la permittivité du vide et \chi\, est la susceptibilité électrique du matériau. Cette relation est correcte et suffisante pour un matériau isotrope et pour un champ électrique pas trop intense. Elle permet de comprendre un grand nombre de phénomènes, comme la réfraction, la réflexion et l'absorption de la lumière. Pour les matériaux anisotropes, la relation doit être modifiée pour comprendre le phénomène de biréfringence.

Dans le cas d'un champ électrique intense, l'approximation précédente ne suffit plus. Les termes d'ordre supérieurs doivent être considérés. C'est le domaine de l'optique non-linéaire.

Voir aussi

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