Les matériaux sont classés comme conducteurs, isolants et semi-conducteurs en fonction de leurs propriétés de conduction électrique. Chaque matériau est composé de molécules qui à leur tour sont constituées d'atomes. Lorsqu'ils sont soumis à un champ électrique, ces atomes du matériau subissent certains déplacements et changements de propriétés. En octobre 1745, une expérience faite par Ewald Georg von Kleist de l'Allemagne en connectant un générateur électrostatique haute tension à un volume d'eau recueilli dans un pot à main à l'aide d'un fil a montré que la charge peut être stockée. En utilisant ce phénomène, Pieter van Musschenbroek a inventé le premier condensateur appelé «Leyden Jar». La nouvelle propriété matérielle qui a soutenu cette invention était «diélectrique».

Quel est le diélectrique?

Chaque matériau est composé d'atomes. Les atomes contiennent à la fois des particules chargées négativement et positivement. Le noyau central de l'atome est chargé positivement. Dans n'importe quel matériau, les atomes sont disposés comme dipôles représenté avec une charge positive et négative à son extrémité. Lorsque ces matériaux sont soumis à un champ électrique, un moment dipolaire a lieu.

Un matériau conducteur commence à conduire lorsque l'électricité est appliquée. Un isolant s'oppose au flux d'électricité car il n'a pas d'électrons en mouvement libre dans sa structure. Mais le diélectrique est un type spécial d'isolant qui ne conduit pas l'électricité mais se polarise lorsqu'il est soumis à l'électricité.

Polarisation en diélectrique

Dans les matériaux diélectriques, lorsqu'ils sont soumis au champ électrique, les charges positives présentes dans le matériau sont déplacées dans la direction du champ électrique appliqué. Les charges négatives sont décalées dans la direction opposée au champ électrique appliqué. Cela conduit à une polarisation diélectrique. Dans un matériau diélectrique, les charges électriques ne traversent pas le matériau. La polarisation réduit le champ global du diélectrique.

Propriétés du diélectrique

Le terme diélectrique a été introduit pour la première fois par William Whewell. C’est la combinaison de deux mots: «Dia» et «électrique». La conductivité électrique d'un diélectrique parfait est nulle. Un diélectrique stocke et dissipe l'énergie électrique de la même manière qu'un condensateur idéal. Certaines des principales propriétés d'un matériau diélectrique sont la sensibilité électrique, la polarisation diélectrique, la dispersion diélectrique, la relaxation diélectrique, l'accordabilité, etc.

Susceptibilité électrique

La facilité avec laquelle un matériau diélectrique peut être polarisé lorsqu'il est soumis à un champ électrique est mesurée par la susceptibilité électrique. Cette quantité détermine également la perméabilité électrique du matériau.

Polarisation diélectrique

Un moment dipolaire électrique est une mesure de la séparation des charges négatives et positives dans le système. La relation entre le moment dipolaire (M) et le champ électrique (E) donne lieu aux propriétés du diélectrique. Lorsque le champ électrique appliqué est supprimé, l'atome revient à son état d'origine. Cela se produit de manière exponentielle. Le temps mis par l'atome pour atteindre son état d'origine est appelé temps de relaxation.

Polarisation totale

Il y a deux facteurs qui décident de la polarisation du diélectrique. Ce sont la formation du moment dipolaire et leur orientation par rapport au champ électrique. Sur la base du type de dipôle élémentaire, il peut y avoir une polarisation électronique ou une polarisation ionique. Polarisation électronique P_estse produit lorsque les molécules diélectriques formant le moment dipolaire sont composées de particules neutres.

Polarisation ionique P_jeet la polarisation électronique sont toutes deux indépendantes de la température. Des moments dipolaires permanents sont produits dans les molécules lorsqu'il existe une distribution asymétrique de charge entre différents atomes. Dans de tels cas, la polarisation d'orientation P_ouEst observé. Si une charge libre est présente dans le matériau diélectrique, cela conduirait à la polarisation de charge d'espace P_s. La polarisation totale du diélectrique implique tous ces mécanismes. Ainsi, la polarisation totale du matériau diélectrique est

P_Total= P_je+ P_est+ P_ou+ P_s

Dispersion diélectrique

Lorsque P est la polarisation maximale atteinte par le diélectrique, t_rest le temps de relaxation pour un processus de polarisation particulier, le processus de polarisation diélectrique peut être exprimé comme

“qu'est-ce que l'ipc signifie ”

P (t) = P [1-exp (-t / t_r)]

Le temps de relaxation varie selon les processus de polarisation. La polarisation électronique est très rapide suivie de la polarisation ionique. La polarisation d'orientation est plus lente que la polarisation ionique. La polarisation de la charge spatiale est très lente.

Panne diélectrique

Lorsque des champs électriques plus élevés sont appliqués, l'isolant commence à conduire et se comporte comme un conducteur. Dans de telles conditions, les matériaux diélectriques perdent leurs propriétés diélectriques. Ce phénomène est connu sous le nom de panne diélectrique. C'est un processus irréversible. Cela conduit à la défaillance des matériaux diélectriques.

Types de matériaux diélectriques

Les diélectriques sont classés en fonction du type de molécule présente dans le matériau. Il existe deux types de diélectriques: les diélectriques polaires et les diélectriques non polaires.

Diélectriques polaires

Dans les diélectriques polaires, le centre de masse des particules positives ne coïncide pas avec le centre de masse des particules négatives. Ici, le moment dipolaire existe. Les molécules sont de forme asymétrique. Lorsque le champ électrique est appliqué, les molécules s'alignent avec le champ électrique. Lorsque le champ électrique est supprimé, un moment dipolaire aléatoire est observé et le moment dipolaire net dans les molécules devient nul. Les exemples sont H2O, CO2, etc.

Diélectriques non polaires

Dans les diélectriques non polaires, le centre de masse des particules positives et des particules négatives coïncide. Il n'y a pas de moment dipolaire dans ces molécules. Ces molécules sont de forme symétrique. Des exemples de diélectriques non polaires sont H2, N2, O2, etc.

Exemples de matériau diélectrique

Les matériaux diélectriques peuvent être des solides, des liquides, des gaz et du vide. Les diélectriques solides sont très utilisés en génie électrique. Quelques exemples de diélectriques vendus sont la porcelaine, la céramique, le verre, le papier, etc. L'air sec, l'azote, l'hexafluorure de soufre et les oxydes de divers métaux sont des exemples de diélectriques gazeux. L'eau distillée et l'huile de transformateur sont des exemples courants de diélectriques liquides.

Applications du matériau diélectrique

Certaines des applications des diélectriques sont les suivantes:

Ceux-ci sont utilisés pour le stockage d'énergie dans condensateurs .
Pour améliorer les performances d'un dispositif semi-conducteur, des matériaux diélectriques à haute permittivité sont utilisés.
Les diélectriques sont utilisés dans Écrans à cristaux liquides.
Le diélectrique en céramique est utilisé dans l'oscillateur à résonateur diélectrique.
Les films minces de titanate de baryum strontium sont des diélectriques qui sont utilisés dans les dispositifs accordables aux micro-ondes offrant une haute accordabilité et un faible courant de fuite.
Le parylène est utilisé dans les revêtements industriels et agit comme une barrière entre le substrat et l'environnement extérieur.
En électrique transformateurs , les huiles minérales sont utilisées comme diélectrique liquide et elles aident au processus de refroidissement.
L'huile de ricin est utilisée dans les condensateurs haute tension pour augmenter sa valeur de capacité.
Les électrets, un matériau diélectrique spécialement traité, agit comme un équivalent électrostatique des aimants.

FAQ

1). Quelle est l'utilisation du diélectrique dans les condensateurs?

Les diélectriques utilisés dans le condensateur aident à diminuer le champ électrique qui à son tour diminue la tension, augmentant ainsi la capacité.

2). Quel matériau diélectrique est largement utilisé dans les condensateurs?

Dans les condensateurs, les matériaux diélectriques tels que le verre, la céramique, l'air, le mica, le papier, le film plastique sont largement utilisés.

3). Quel matériau a la rigidité diélectrique la plus élevée?

On note qu'un vide parfait a la rigidité diélectrique la plus élevée.

4). Tous les isolants sont-ils diélectriques?

Non, bien que les diélectriques se comportent comme des isolants, tous les isolants ne sont pas des diélectriques.

Ainsi, les diélectriques constituent une partie importante des condensateurs. Un bon matériau diélectrique doit avoir une bonne constante diélectrique, une rigidité diélectrique, un faible facteur de perte, une stabilité à haute température, une stabilité de stockage élevée, une bonne réponse en fréquence et doit être modifiable dans les processus industriels. Les diélectriques jouent également un rôle essentiel dans les circuits électroniques à haute fréquence. La mesure des propriétés diélectriques du matériau donne des informations sur ses caractéristiques électriques ou magnétiques. Qu'est-ce qu'une constante diélectrique?