QUELLE EST LA CONSTANTE DIÉLECTRIQUE? - PHYSIQUE - 2025

La constante diélectrique est une valeur associée au matériau qui est placé entre les plaques d'un condensateur (ou condensateur - figure 1) et qui permet d'optimiser et d'augmenter sa fonction. (Giancoli, 2006). Le diélectrique est synonyme d'isolant électrique, c'est-à-dire que ce sont des matériaux qui ne permettent pas le passage du courant électrique.

Cette valeur est importante à bien des égards, car il est courant pour tout le monde d'utiliser des équipements électriques et électroniques dans nos maisons, espaces de loisirs, postes d'enseignement ou de travail, mais nous ne sommes certainement pas conscients des processus compliqués qui se produisent dans cet équipement pour fonctionner.

Figure 1: Différents types de condensateurs.

Par exemple, nos mini-composants, télévisions et appareils multimédias, utilisent du courant continu pour leurs fonctions, mais les courants domestiques et industriels qui atteignent nos maisons et nos lieux de travail sont des courants alternatifs. Comment est-ce possible?.

Figure 2: Circuit électrique d'un équipement domestique

La réponse à cette question se trouve au sein du même équipement électrique et électronique: les condensateurs (ou condensateurs). Ces composants permettent, entre autres, de rendre possible le redressement du courant alternatif en courant continu et leur fonctionnalité dépend de la géométrie ou de la forme du condensateur et du matériau diélectrique présent dans sa conception.

Les matériaux diélectriques jouent un rôle important, car ils permettent aux plaques qui composent le condensateur d'être très proches, sans se toucher, et recouvrent complètement l'espace entre lesdites plaques avec un matériau diélectrique pour augmenter la fonctionnalité des condensateurs.

Origine de la constante diélectrique: condensateurs et matériaux diélectriques

La valeur de cette constante est un résultat expérimental, c'est-à-dire qu'elle provient des expériences menées avec différents types de matériaux isolants et aboutissant au même phénomène: fonctionnalité accrue ou efficacité d'un condensateur.

Les condensateurs sont associés à une grandeur physique appelée capacité «C», qui définit la quantité de charge électrique «Q» qu'un condensateur peut stocker en fournissant une certaine différence de potentiel «∆V» (équation 1).

(Équation 1)

Des expériences ont conclu qu'en recouvrant complètement l'espace entre les plaques d'un condensateur avec un matériau diélectrique, les condensateurs augmentent leur capacité d'un facteur κ, appelé «constante diélectrique». (Équation 2).

(Équation 2)

Une illustration d'un condensateur plat à plaques parallèles à capacité C chargé et par conséquent avec un champ électrique uniforme dirigé vers le bas entre ses plaques est présentée sur la figure 3.

En haut de la figure se trouve le condensateur avec un vide entre ses plaques (vide - permittivité ∊0). Puis, en bas, le même condensateur de capacité C '> C est présenté, avec un diélectrique entre ses plaques (de permittivité ∊).

Figure 3: Condensateur à plaques plan-parallèle sans diélectrique et avec diélectrique.

Figueroa (2005), énumère trois fonctions pour les matériaux diélectriques dans les condensateurs:

1. Ils permettent une construction rigide et compacte avec un petit espace entre les plaques conductrices.
2. Ils permettent d'appliquer une tension plus élevée sans provoquer de décharge (le champ électrique de claquage est supérieur à celui de l'air)
3. Augmente la capacité du condensateur d'un facteur κ appelé constante diélectrique du matériau.

Ainsi, l'auteur indique que, κ "s'appelle la constante diélectrique du matériau et mesure la réponse de ses dipôles moléculaires à un champ magnétique externe". Autrement dit, la constante diélectrique est d'autant plus élevée que la polarité des molécules du matériau est élevée.

Modèles atomiques de diélectriques

En général, les matériaux ont des arrangements moléculaires spécifiques qui dépendent des molécules elles-mêmes et des éléments qui les composent dans chaque matériau. Parmi les arrangements moléculaires intervenant dans les processus diélectriques se trouve celui des soi-disant «molécules polaires» ou polarisées.

Dans les molécules polaires, il y a une séparation entre la position médiane des charges négatives et la position médiane des charges positives, les obligeant à avoir des pôles électriques.

Par exemple, la molécule d'eau (figure 4) est polarisée en permanence car le centre de la distribution de charge positive est à mi-chemin entre les atomes d'hydrogène. (Serway et Jewett, 2005).

Figure 4: Distribution de la molécule d'eau.

Alors que dans la molécule BeH2 (hydrure de béryllium - Figure 5), une molécule linéaire, il n'y a pas de polarisation, puisque le centre de distribution des charges positives (hydrogènes) est au centre de distribution des charges négatives (béryllium), annulant toute polarisation qui pourrait exister. Ceci est une molécule non polaire.

Figure 5: Distribution d'une molécule d'hydrure de béryllium.

Dans le même ordre d'idées, lorsqu'un matériau diélectrique est en présence d'un champ électrique E, les molécules vont s'aligner en fonction du champ électrique, provoquant une densité de charge superficielle sur les faces du diélectrique qui font face aux plaques de condensateur.

En raison de ce phénomène, le champ électrique à l'intérieur du diélectrique est inférieur au champ électrique externe généré par le condensateur. L'illustration suivante (figure 6) montre un diélectrique polarisé électriquement dans un condensateur à plaques parallèles planes.

Il est important de noter que ce phénomène se traduit plus facilement dans les matériaux polaires que dans les matériaux non polaires, du fait de l'existence de molécules polarisées qui interagissent plus efficacement en présence du champ électrique. Cependant, la simple présence du champ électrique provoque la polarisation des molécules non polaires, entraînant le même phénomène qu'avec les matériaux polaires.

Figure 6: Modèles des molécules polarisées d'un diélectrique en raison du champ électrique provenant du condensateur chargé.

Valeurs des constantes diélectriques dans certains matériaux

En fonction de la fonctionnalité, de l'économie et de l'utilité ultime des condensateurs, différents matériaux isolants sont utilisés pour optimiser leurs performances.

Les matériaux tels que le papier sont très bon marché, bien qu'ils puissent tomber en panne à des températures élevées ou au contact de l'eau. Tout en caoutchouc, il est toujours malléable mais plus résistant. Nous avons également de la porcelaine, qui résiste aux températures élevées bien qu'elle ne puisse pas s'adapter à différentes formes selon les besoins.

Vous trouverez ci-dessous un tableau où la constante diélectrique de certains matériaux est spécifiée, où les constantes diélectriques n'ont pas d'unités (elles sont sans dimension):

Tableau 1: Constantes diélectriques de certains matériaux à température ambiante.

Quelques applications des matériaux diélectriques

Les matériaux diélectriques sont importants dans la société mondiale avec un large éventail d'applications, des communications terrestres et par satellite, y compris les logiciels radio, le GPS, la surveillance de l'environnement par satellite, entre autres. (Sébastien, 2010)

En outre, Fiedziuszko et al. (2002) décrivent l'importance des matériaux diélectriques pour le développement de la technologie sans fil, y compris pour la téléphonie cellulaire. Dans leur publication, ils décrivent la pertinence de ce type de matériaux dans la miniaturisation des équipements.

Dans cet ordre d'idées, la modernité a généré une forte demande de matériaux à constantes diélectriques hautes et basses pour le développement d'une vie technologique. Ces matériaux sont des composants essentiels pour les appareils Internet en termes de fonctions de stockage de données, de communications et de performances de transmission de données. (Nalwa, 1999).

Références

1. Fiedziuszko, SJ, Hunter, IC, Itoh, T., Kobayashi, Y., Nishikawa, T., Stitzer, SN et Wakino, K. (2002). Matériaux, dispositifs et circuits diélectriques. Transactions IEEE sur la théorie et les techniques des micro-ondes, 50 (3), 706-720.
2. Figueroa, D. (2001). Interaction électrique. Caracas, Venezuela: Miguel Angel García et fils, SRL.
3. Giancoli, D. (2006). PHYSIQUE. En commençant par les applications. Mexique: PEARSON EDUCACION.
4. Nalwa, HS (éd.). (1999). Manuel des matériaux à constante diélectrique basse et haute et leurs applications, jeu de deux volumes. Elsevier.
5. Sébastien, MT (2010). Matériaux diélectriques pour la communication sans fil. Elsevier.
6. Serway, R. et Jewett, J. (2005). Physique pour la science et l'ingénierie. Mexique: International Thomson Editores.