Diélectrique

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 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

Les électrons présents dans un milieu diélectrique ne peuvent pas, par définition, se déplacer sur des grandes distances. Il 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

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 même sens. 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 est souvent proportionnelle au champ électrique qui l'a créée (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.

Phénomènes de réfraction, de réflexion et d'absorption

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 :

.

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 apparaitre 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

Les matériaux diélectriques sont caractérisés en particulier par :

• leur rigidité diélectrique ;
• leur permittivité diélectrique ε, ou constante diélectrique ;
• leur angle de perte ou tangente delta, tan(δ).

Quelques milieux diélectriques usuels

Solides

• le verre, utilisé pour faire des isolateurs de lignes haute tension ;
• la céramique, très utilisée pour les matériels HTB des postes électriques ;
• la plupart des plastiques, en particulier polyéthylène sous sa forme réticulée (XLPE) et PVC, tous deux utilisés pour les câbles ;
• le Polypropylène, utilisé en particulier dans les condensateurs en HTA ou HTB ;
• le mica, qui n'est guère plus utilisé de nos jours dans l'industrie électrotechnique ;
• la bakélite, autrefois très utilisée pour l'appareillage électrique basse tension ;
• le téflon, utilisé pour certaines pièces des disjoncteurs à haute tension.
• certains matériaux sous forme cristalline perovskyte comme le PZT qui sont actuellement en cours de développement pour être utilisés comme condensateur à capacité variable.

Gazeux

• l'air
• l'hexafluorure de soufre
• l'azote

Liquides

• le pyralène, autrefois utilisé dans les transformateurs, mais qui tend à disparaître à cause de ses risques
• l'huile minérale, qui a remplacé le pyralène dans les transformateurs
• 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.
• l'huile végétale, innovation récente dans l'isolation diélectrique dans les transformateurs électriques.

Utilisations des diélectriques

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.

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