Quelle est la constante diélectrique?

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). Diélectrique est synonyme d’isolation électrique, c’est-à-dire que ce sont des matériaux qui ne permettent pas le passage du courant électrique.

Cette valeur est importante à de nombreux égards, car il est courant d’utiliser des équipements électriques et électroniques chez nous, dans nos espaces de loisirs, à des fins éducatives ou professionnelles, mais nous ne connaissons sûrement pas les processus compliqués qui se produisent dans ces équipements pour fonctionner.

Par exemple, nos mini-composants, téléviseurs et appareils multimédias utilisent le 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?

La réponse à cette question se trouve dans le même équipement électrique et électronique: les condensateurs (ou condensateurs). Ces composants permettent, entre autres, la rectification du courant alternatif en courant continu et sa 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 constituant le condensateur d'être très proches, sans les toucher, et recouvrent complètement l'espace entre lesdites plaques avec un matériau diélectrique afin d'accroître 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 effectuées avec différents types de matériaux isolants et aboutit au même phénomène: augmentation de la fonctionnalité ou de l’efficacité d’un condensateur.

Les condensateurs sont associés à une quantité physique appelée capacité "C" et qui définit la quantité de charge électrique "Q" qu'un condensateur peut stocker lorsqu'il fournit une certaine différence de potentiel "ΔV" (équation 1).

Les 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).

La figure 3 montre une illustration d'un condensateur de capacité C de plaques plates parallèles chargées et, par conséquent, avec un champ électrique uniforme dirigé vers le bas entre ses plaques.

Dans la partie supérieure de la figure se trouve le condensateur avec le vide entre ses plaques (vide - de permissivité ε0). Ensuite, dans la partie inférieure, le même condensateur de capacité C '> C est présenté, avec un diélectrique entre ses plaques (de permittivité ε).

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

1. Ils permettent une construction rigide et compacte avec une faible séparation entre les plaques conductrices.
2. Ils permettent d'appliquer une tension plus élevée sans provoquer de choc (le champ de rupture électrique est supérieur à celui de l'air)
3. Augmentez 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". C'est-à-dire que la constante diélectrique est d'autant plus grande que la polarité des molécules du matériau est grande.

Modèles atomiques de diélectriques

Les matériaux présentent en général des arrangements moléculaires spécifiques qui dépendent des molécules elles-mêmes et des éléments qui les constituent dans chaque matériau. Parmi les arrangements moléculaires intervenant dans les processus diélectriques figure celui des molécules dites "polaires" ou polarisées.

Dans les molécules polaires, il existe une séparation entre la position moyenne des charges négatives et la position moyenne des charges positives, ce qui entraîne leur pôle électrique.

Par exemple, la molécule d'eau (Figure 4) présente une polarisation permanente car le centre de la distribution de la charge positive se situe au centre de la distance entre les atomes d'hydrogène. (Serway et Jewett, 2005).

Alors que dans la molécule BeH2 (hydrure de béryllium - Figure 5), molécule linéaire, aucune polarisation ne se produit, car le centre de distribution des charges positives (hydrogènes) est au centre de la distribution des charges négatives (béryllium)., annulant toute polarisation pouvant exister. Ceci est une molécule non polaire.

Dans le même ordre d'idées, lorsqu'un matériau diélectrique est en présence d'un champ électrique E, les molécules seront alignées en fonction du champ électrique, provoquant une densité de charge de surface sur les faces du diélectrique faisant face aux armatures du condensateur.

En raison de ce phénomène, le champ électrique à l'intérieur du diélectrique est plus petit que le champ électrique externe généré par le condensateur. L'illustration suivante (figure 6) montre un diélectrique polarisé électriquement à l'intérieur d'un condensateur à plaque plate.

Il est important de noter que ce phénomène résulte plus facilement des matériaux polaires que des non-polaires, en raison de l'existence de molécules polarisées qui interagissent avec une plus grande efficacité en présence du champ électrique. Bien que la simple présence du champ électrique provoque la polarisation des molécules nopolaires, dérivant dans le même phénomène que celui des matériaux polaires.

Valeurs de la constante diélectrique 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 leur fonctionnement.

Les matériaux tels que le papier sont très économiques, même s’ils peuvent échouer avec des températures élevées ou au contact de l’eau. Alors que le caoutchouc, il reste malléable mais plus résistant. Nous avons aussi de la porcelaine, qui résiste aux températures élevées mais ne peut pas s’adapter à différentes formes selon les besoins.

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

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

Quelques applications de matériaux diélectriques

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

En outre, Fiedziuszko et autres (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 matériau dans la miniaturisation des équipements.

Dans cet ordre d'idées, la modernité a généré une forte demande de matériaux à constante diélectrique élevée et basse 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 des transmissions de données. (Nalwa, 1999).