Matériaux diélectriques : Définition, Propriétés et Applications
Un matériau diélectrique est défini comme un isolant électrique qui peut être polarisé par un champ électrique appliqué.champ électrique. Cela signifie que lorsqu'un matériau diélectrique est placé dans un champ électrique, il n'autorise pas le passage de charges électriques à travers lui, mais aligne plutôt ses dipôles électriques internes (paires de charges opposées) dans la direction du champ. Cette alignment réduit le champ électrique global à l'intérieur du matériau diélectrique et augmente la capacité d'un condensateur qui l'utilise.
Comment fonctionnent les matériaux diélectriques?
Pour comprendre comment fonctionnent les matériaux diélectriques, nous devons connaître certains concepts de base de l'électromagnétisme.
Un champ électrique est une région de l'espace où une charge électrique subit une force. La direction du champ électrique est la direction de la force sur une charge positive, et l'amplitude du champ électrique est proportionnelle à l'intensité de la force. Les champs électriques sont créés par des charges électriques ou des champs magnétiques changeants.champs magnétiques.
Polarisation électrique
La polarisation électrique est la séparation de charges positives et négatives au sein d'un matériau en raison d'un champ électrique externe. Lorsqu'un matériau est polarisé, il développe un moment dipolaire électrique, qui est une mesure de la séparation des charges et de leur alignement. Le moment dipolaire électrique d'un matériau est proportionnel à sa susceptibilité électrique, qui est une mesure de la facilité avec laquelle il peut être polarisé.susceptibilité magnétique, qui est une mesure de la facilité avec laquelle il peut être polarisé.
Capacité
La capacité est la capacité d'un système à stocker une charge électrique. Un condensateur est un dispositif qui se compose de deux conducteurs (plaques) séparés par un isolant (diélectrique). Lorsqu'une tension est appliquée entre les plaques, un champ électrique est créé entre elles, et des charges s'accumulent sur chaque plaque. La capacité d'un condensateur est proportionnelle à la surface des plaques, inversement proportionnelle à la distance entre elles, et directement proportionnelle à la constante diélectrique de l'isolant.conducteurs (plaques) séparés par un isolant (diélectrique). Lorsqu'une tension est appliquée entre les plaques, un champ électrique est créé entre elles, et des charges s'accumulent sur chaque plaque. La capacité d'un condensateur est proportionnelle à la surface des plaques, inversement proportionnelle à la distance entre elles, et directement proportionnelle à la constante diélectrique de l'isolant.
Propriétés des matériaux diélectriques
Certaines propriétés importantes des matériaux diélectriques sont :
Constante diélectrique : C'est une quantité adimensionnelle qui indique dans quelle mesure un matériau augmente la capacité d'un condensateur par rapport au vide. Elle est également appelée permittivité relative ou rapport de permittivité. La constante diélectrique du vide est 1, et celle de l'air est environ 1,0006. Les matériaux ayant une constante diélectrique élevée incluent l'eau (environ 80), le titanate de baryum (environ 1200) et le titanate de strontium (environ 2000).permittivité relative ou rapport de permittivité. La constante diélectrique du vide est 1, et celle de l'air est environ 1,0006. Les matériaux ayant une constante diélectrique élevée incluent l'eau (environ 80), le titanate de baryum (environ 1200) et le titanate de strontium (environ 2000).
Résistance diélectrique : C'est le champ électrique maximal qu'un matériau peut supporter sans se rompre ou devenir conducteur. Elle est mesurée en volts par mètre (V/m) ou en kilovolts par millimètre (kV/mm). La résistance diélectrique de l'air est d'environ 3 MV/m, et celle du verre est d'environ 10 MV/m.
Perte diélectrique : C'est la quantité d'énergie dissipée sous forme de chaleur lorsque un champ électrique alternatif est appliqué à un matériau. Elle est mesurée par la tangente de perte ou le facteur de dissipation, qui est le rapport de la partie imaginaire à la partie réelle de la permittivité complexe. La perte diélectrique dépend de la fréquence et de la température du champ électrique, ainsi que de la structure et de la pureté du matériau. Les matériaux ayant une faible perte diélectrique sont souhaitables pour les applications nécessitant une efficacité élevée et une faible chauffe.tangente de perte, qui est le rapport de la partie imaginaire à la partie réelle de la permittivité complexe. La perte diélectrique dépend de la fréquence et de la température du champ électrique, ainsi que de la structure et de la pureté du matériau. Les matériaux ayant une faible perte diélectrique sont souhaitables pour les applications nécessitant une efficacité élevée et une faible chauffe.
Types et exemples de matériaux diélectriques
Les matériaux diélectriques peuvent être classés en différents types en fonction de leur structure moléculaire et de leur mécanisme de polarisation. Certains types courants et exemples sont :
Vide : C'est l'absence de matière et donc n'a pas de polarisation. Il a une constante diélectrique de 1 et aucune perte diélectrique.
Gaz : Ce sont des composés d'atomes ou de molécules qui sont liés de manière lâche et peuvent se déplacer librement. Ils ont des constantes diélectriques faibles (proches de 1) et des pertes diélectriques faibles. Exemples : air, azote, hélium, hexafluorure de soufre.atomes ou de molécules qui sont liés de manière lâche et peuvent se déplacer librement. Ils ont des constantes diélectriques faibles (proches de 1) et des pertes diélectriques faibles. Exemples : air, azote, hélium, hexafluorure de soufre.
Liquides : Ce sont des composés de molécules qui sont plus fortement liées que les gaz mais peuvent encore se déplacer. Ils ont des constantes diélectriques plus élevées que les gaz (allant de 2 à 80) et des pertes diélectriques plus élevées. Exemples : eau, huile de transformateur, éthanol, glycérine.transformateur, éthanol, glycérine.
Solides : Ce sont des composés d'atomes ou de molécules fortement liés en positions fixes. Ils ont des constantes diélectriques plus élevées que les liquides (allant de 3 à 2000) et des pertes diélectriques plus élevées. Exemples : verre, céramiques, plastiques, caoutchouc, papier, mica, quartz.
Applications des matériaux diélectriques
Les matériaux diélectriques ont de nombreuses applications dans divers domaines de la science et de l'ingénierie. Quelques exemples sont :
Condensateurs : Ce sont des dispositifs qui stockent une charge électrique et de l'énergie en utilisant des matériaux diélectriques entre deux conducteurs. Les condensateurs sont utilisés pour le filtrage, le lissage, le temporisation, le couplage, le découplage, l'accord, la détection et la conversion de puissance dans les circuits électroniques.
Isolateurs : Ce sont des matériaux qui empêchent le courant électrique de passer à travers eux en utilisant leur haute résistance et leur haute résistance diélectrique. Les isolateurs sont utilisés pour la protection, l'isolation, le support et la séparation des composants et des fils électriques.courant électrique de passer à travers eux en utilisant leur haute résistance et leur haute résistance diélectrique. Les isolateurs sont utilisés pour la protection, l'isolation, le support et la séparation des composants et des fils électriques.
Transducteurs : Ce sont des dispositifs qui convertissent une forme d'énergie en une autre en utilisant des matériaux diélectriques qui présentent la piézoélectricité ou l'électrostriction. La piézoélectricité est la propriété de certains matériaux de générer une tension électrique lorsqu'ils sont soumis à une contrainte mécanique ou vice versa. L'électrostriction est la propriété de certains matériaux de changer leur forme ou leur taille lorsqu'ils sont soumis à un champ électrique ou vice versa. Les transducteurs sont utilisés pour générer, détecter, mesurer et contrôler les ondes sonores, les ondes ultrasonores, les vibrations, la pression, la force, le déplacement, la température, etc.piézoélectricité ou l'électrostriction. La piézoélectricité est la propriété de certains matériaux de générer une tension électrique lorsqu'ils sont soumis à une contrainte mécanique ou vice versa. L'électrostriction est la propriété de certains matériaux de changer leur forme ou leur taille lorsqu'ils sont soumis à un champ électrique ou vice versa. Les transducteurs sont utilisés pour générer, détecter, mesurer et contrôler les ondes sonores, les ondes ultrasonores, les vibrations, la pression, la force, le déplacement, la température, etc.
