Diélectrique

Un matériau est diélectrique s'il ne contient pas de charges électriques susceptibles de se déplacer de façon macroscopique.


Catégories :

Diélectrique - Matériau

Définitions :

  • Isolant utilisé dans les câbles coaxiaux (polyéthylène cellulaire, par exemple). (source : rgfrance)

Un matériau est diélectrique s'il ne contient pas de charges électriques susceptibles de se déplacer de façon macroscopique. C'est à dire, c'est un milieu qui ne peut pas conduire le courant électrique. À ce titre, on l'appelle quelquefois isolant électrique. On compte parmi ces milieux : le vide, le verre et de nombreux plastiques. A titre d'exemple, les câbles électriques sont fréquemment protégés d'un revêtement en plastique pour éviter que le courant électrique puisse en sortir.

Malgré l'impossibilité des milieux diélectriques de conduire le courant, ils présentent de nombreuses caractéristiques électriques. En effet les atomes qui forment 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 longues distances. Il peuvent par contre présenter des mouvements d'amplitude particulièrement petite à notre échelle, mais qui peuvent être à l'origine de nombreux phénomènes. Ces mouvements sont fréquemment 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 aussi des dipôles).

Création d'une polarisation

Article détaillé : Polarisation (diélectrique) .

En soumettant le matériau à un champ électrique de tels dipôles peuvent être créés. S'ils existaient déjà, cela peut avoir comme effet de l'ensemble des 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 l'ensemble des dipôles du matériau. Cette polarisation vient par conséquent de différents effets physiques :

La polarisation \vec P est fréquemment proportionnelle au champ électrique \vec E qui l'a créée (ce cas est dit linéaire)  :

\vec P= \epsilon_0\chi\vec E,

avec \epsilon_0\, la permittivité du vide et \chi\, la susceptibilité électrique du matériau, qui est un nombre complexe. Dans le cas d'un diélectrique anisotrope, \chi\, 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 \chi\, modifie la vitesse c d'une onde lumineuse se propageant dans le matériau comparé à la vitesse c0 qu'elle aurait dans le vide selon la relation :

c_0=c\sqrt{1+\Re(\chi)}.

Cela correspond précisément à la définition de l'indice de réfraction n d'un milieu : c_0=c\; n. Cela explique par conséquent le phénomène de réfraction de la lumière. D'autre part, la partie imaginaire correspond à une absorption de la lumière par le matériau. Quand 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 aussi 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 cœfficients 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 particulièrement 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 surtout par :

Quelques milieux diélectriques usuels

Solides

Gazeux

Liquides

Utilisations des diélectriques

Les diélectriques étant de bons isolants électriques et thermiques, et sont par conséquent utilisés pour gainer les câbles électriques afin d'éviter des contacts avec d'autres câbles ou des personnes autant que dans les manches des casseroles.

Les diélectriques sont utiles dans les condensateurs. Dans le cas, particulièrement 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 complexes à ioniser, l'air ambiant devient conducteur avant eux : on peut les employer pour des condensateurs à haute tension.

La plupart des diélectriques sont aussi transparents dans de larges gammes de fréquences, et sont quelquefois utilisés pour former une couche anti-reflet, par exemple sur certains modèles de verres de lunette.

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"Uu diélectrique est dit"

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 09/12/2010.
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