Matériaux diélectriques

Matériaux diélectriques

Les matériaux diélectriques sont essentiellement des isolants, ce qui signifie qu’aucun courant ne traverse le matériau lorsqu’une tension est appliquée. Cependant, certains changements se produisent à l’échelle atomique. Lorsqu’une tension est appliquée à un objet diélectrique, celui-ci se polarise. Les atomes étant constitués d’un noyau chargé positivement et d’électrons chargés négativement, la polarisation est un effet qui déplace légèrement les électrons vers la tension positive. Ils ne se déplacent pas suffisamment pour créer un flux de courant à travers le matériau – le déplacement est microscopique, mais il a un effet très important, en particulier lorsqu’il s’agit de condensateurs. Une fois la source de tension retirée du matériau, celui-ci revient à son état initial non polarisé ou reste polarisé si les liaisons moléculaires du matériau sont faibles. La différence entre les termes diélectrique et isolant n’est pas très bien définie. Tous les matériaux diélectriques sont des isolants, mais un bon diélectrique est celui qui est facilement polarisé.

La quantité de polarisation qui se produit lorsqu’une certaine tension est appliquée à un objet influence la quantité d’énergie électrique qui est stockée dans le champ électrique. Ceci est décrit par la constante diélectrique du matériau. La constante diélectrique n’est pas la seule propriété des matériaux diélectriques. D’autres propriétés telles que la rigidité diélectrique et la perte diélectrique sont tout aussi importantes dans le choix des matériaux pour un condensateur dans une application donnée.

Constante diélectrique

La constante diélectrique d’un matériau, également appelée permittivité d’un matériau, représente la capacité d’un matériau à concentrer les lignes de flux électrostatiques. En termes plus pratiques, elle représente la capacité d’un matériau à stocker de l’énergie électrique en présence d’un champ électrique. Tous les matériaux, y compris le vide, stockent de l’énergie lorsqu’ils sont placés dans un champ électrique. La permittivité du vide est définie comme la constante physique ε0, qui vaut approximativement ε0 = 8,854 x 10-12 farads par mètre. Cette constante apparaît dans de nombreuses formules d’électromagnétisme.

Puisque la plupart des condensateurs ne sont pas constitués de vide, il est logique de définir la permittivité pour chaque matériau. La permittivité d’un matériau est définie comme ε=εrε0, où ε est la permittivité absolue et er est la permittivité relative. εr est un nombre qui est toujours supérieur à 1, ce qui signifie que tous les matériaux stockent plus d’énergie que l’espace libre lorsqu’ils sont soumis à un champ électrique. Cette propriété est très utile dans les applications de condensateurs, et nous l’expliquerons plus en détail dans cet article. Il convient de noter que la permittivité relative dépend de nombreux facteurs, tels que la température, la pression et même la fréquence, ce qui explique pourquoi les matériaux présentant une constante diélectrique plus stable sont privilégiés dans certaines applications.

Différents matériaux ont des valeurs de permittivité relative différentes. Nous fournissons ici une liste de matériaux couramment utilisés dans les condensateurs, ainsi que leurs valeurs er à la fréquence de 1kHz à température ambiante, ce qui peut être utilisé comme une référence rapide et montre le large éventail de valeurs rencontrées dans la pratique :

Résistance diélectrique

Malheureusement, il existe une limite à la tension que peut supporter un isolant avant de conduire l’électricité. Tous les matériaux ont une limite de tension supérieure, appelée tension de claquage. L’air en est un bon exemple. Il est considéré comme un isolant, mais dans certaines circonstances, il peut faire circuler le courant. C’est exactement ce qui se produit lors d’un coup de foudre. Une fois que l’intensité du champ de claquage est dépassée, l’air est ionisé (les électrons sont arrachés du noyau de l’atome) et ils commencent à se déplacer sous l’influence du champ électrique, produisant un courant électrique. Il est très important de ne pas dépasser la tension nominale maximale d’un condensateur afin d’éviter de l’endommager, voire de le détruire complètement. La rigidité diélectrique de l’air est d’environ 3 mégavolts par mètre. En comparaison, la rigidité diélectrique du mica est d’environ 120 MV/m. Le choix du matériau diélectrique est très important dans certaines applications où l’on s’attend à des tensions élevées, ou lorsque l’épaisseur du diélectrique est très faible.

Perte diélectrique

Le terme perte diélectrique désigne l’énergie qui est perdue par échauffement d’un objet constitué d’un matériau diélectrique si une tension variable lui est appliquée. Ces pertes se produisent parce que lorsque le matériau change de polarisation, les minuscules déplacements d’électrons peuvent être considérés comme un minuscule flux de courant alternatif. Différents matériaux ont des pertes différentes à différentes fréquences, et cette caractéristique doit être prise en compte dans certaines applications à haute fréquence.

Application des matériaux diélectriques aux condensateurs

Pour comprendre l’effet du diélectrique sur un condensateur, rappelons d’abord rapidement la formule connue de la capacité d’un condensateur à plaques parallèles :

où C est la capacité, εr est la permittivité relative du matériau, ε0 est la permittivité du vide, A est la surface des plaques et d est la distance entre les plaques. Il est clair que plus εr est grand, plus la capacité résultante est importante. Par exemple, l’air en tant que matériau a une permittivité relative d’environ 1, ce qui signifie qu’il agit comme si les plaques du condensateur étaient placées dans le vide. En revanche, certains polymères peuvent avoir une permittivité relative allant jusqu’à 100 000 ! En utilisant de tels matériaux, il est possible d’obtenir la même capacité dans un volume beaucoup plus petit, ce qui ouvre des possibilités de miniaturisation.

Voyons maintenant la rigidité diélectrique. Considérons un condensateur à air, la distance entre les électrodes étant de 0,1 mm. La rigidité diélectrique de l’air est de 3 mégavolts par mètre. Cela signifie que la tension maximale qui peut être appliquée à cet exemple de condensateur est de 300 volts dans des conditions idéales. Plus le condensateur est petit, plus la tension maximale autorisée est faible. Tous les condensateurs ont des tensions nominales maximales qui dépendent des matériaux utilisés, et le dépassement de ces valeurs nominales pourrait endommager ou détruire le condensateur.

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