Résistance diélectrique - Dielectric strength

En physique , le terme rigidité diélectrique a les significations suivantes :

pour un matériau électriquement isolant pur , champ électrique maximal que le matériau peut supporter dans des conditions idéales sans subir de claquage électrique et devenir conducteur de l'électricité (c'est-à-dire sans défaillance de ses propriétés isolantes).
Pour un morceau spécifique de matériau diélectrique et l'emplacement des électrodes , le champ électrique minimum appliqué (c'est-à-dire la tension appliquée divisée par la distance de séparation des électrodes) qui entraîne un claquage. C'est le concept de tension de claquage .

La rigidité diélectrique théorique d'un matériau est une propriété intrinsèque du matériau massif, et est indépendante de la configuration du matériau ou des électrodes avec lesquelles le champ est appliqué. Cette « rigidité diélectrique intrinsèque » correspond à ce qui serait mesuré avec des matériaux purs dans des conditions de laboratoire idéales. Au claquage, le champ électrique libère les électrons liés. Si le champ électrique appliqué est suffisamment élevé, les électrons libres du rayonnement de fond peuvent être accélérés à des vitesses qui peuvent libérer des électrons supplémentaires par des collisions avec des atomes ou des molécules neutres, dans un processus connu sous le nom de claquage par avalanche . La rupture se produit assez brutalement (généralement en nanosecondes ), entraînant la formation d'un chemin électriquement conducteur et une décharge perturbatrice à travers le matériau. Dans un matériau solide, un événement de claquage dégrade fortement, voire détruit, son pouvoir isolant.

Panne électrique

Le courant électrique est un flux de particules chargées électriquement dans un matériau provoqué par un champ électrique . Les particules chargées mobiles responsables du courant électrique sont appelées porteurs de charge . Dans différentes substances, différentes particules servent de porteurs de charge : dans les métaux et autres solides, certains des électrons externes de chaque atome ( électrons de conduction ) sont capables de se déplacer dans le matériau ; dans les électrolytes et le plasma, il s'agit d' ions , d' atomes ou de molécules chargés électriquement et d'électrons. Une substance qui a une forte concentration de porteurs de charge disponibles pour la conduction conduira un courant important avec le champ électrique donné créé par une tension donnée appliquée à ses bornes, et a donc une faible résistivité électrique ; c'est ce qu'on appelle un conducteur électrique . Un matériau qui a peu de porteurs de charge conduira très peu de courant avec un champ électrique donné et a une résistivité élevée ; c'est ce qu'on appelle un isolant électrique .

Cependant, lorsqu'un champ électrique suffisamment grand est appliqué à une substance isolante, à une certaine intensité de champ, la concentration de porteurs de charge dans le matériau augmente soudainement de plusieurs ordres de grandeur, de sorte que sa résistance chute et qu'il devient conducteur. C'est ce qu'on appelle une panne électrique . Le mécanisme physique provoquant la panne diffère selon les substances. Dans un solide, cela se produit généralement lorsque le champ électrique devient suffisamment fort pour éloigner les électrons de valence externes de leurs atomes, de sorte qu'ils deviennent mobiles. L'intensité du champ auquel se produit la rupture est une propriété intrinsèque du matériau appelée sa rigidité diélectrique .

Dans la pratique des circuits électriques, une panne électrique est souvent un événement indésirable, une défaillance du matériau isolant provoquant un court-circuit , entraînant une défaillance catastrophique de l'équipement. La chute soudaine de la résistance provoque le passage d'un courant élevé à travers le matériau, et l' échauffement Joule extrême soudain peut provoquer la fonte ou la vaporisation explosive du matériau ou d'autres parties du circuit. Cependant, la panne elle-même est réversible. Si le courant fourni par le circuit externe est suffisamment limité, aucun dommage n'est causé au matériau et la réduction de la tension appliquée provoque une transition vers l'état isolant du matériau.

Facteurs affectant la rigidité diélectrique apparente

Elle diminue avec l'augmentation de l'épaisseur de l'échantillon. (voir "défauts" ci-dessous)
Elle diminue avec l'augmentation de la température de fonctionnement .
Elle diminue avec l'augmentation de la fréquence.
Pour les gaz (par exemple l'azote, l'hexafluorure de soufre), il diminue normalement avec l'augmentation de l'humidité car les ions dans l'eau peuvent fournir des canaux conducteurs.
Pour les gaz, elle augmente avec la pression selon la loi de Paschen
Pour l'air, la rigidité diélectrique augmente légèrement avec l'augmentation de l'humidité absolue mais diminue avec l'augmentation de l'humidité relative

Décomposer la force du champ

L'intensité du champ auquel la rupture se produit dépend des géométries respectives du diélectrique (isolant) et des électrodes avec lesquelles le champ électrique est appliqué, ainsi que du taux d'augmentation du champ électrique appliqué. Étant donné que les matériaux diélectriques contiennent généralement des défauts infimes, la rigidité diélectrique pratique sera nettement inférieure à la rigidité diélectrique intrinsèque d'un matériau idéal, sans défaut. Les films diélectriques ont tendance à présenter une plus grande rigidité diélectrique que des échantillons plus épais du même matériau. Par exemple, la rigidité diélectrique des films de dioxyde de silicium d'une épaisseur d'environ 1 µm est d'environ 0,5 GV/m. Cependant, des couches très minces (inférieures à, disons, 100 nm ) deviennent partiellement conductrices à cause de l'effet tunnel électronique . Des couches multiples de films diélectriques minces sont utilisées là où une rigidité diélectrique pratique maximale est requise, comme des condensateurs haute tension et des transformateurs d' impulsions . Étant donné que la rigidité diélectrique des gaz varie en fonction de la forme et de la configuration des électrodes, elle est généralement mesurée comme une fraction de la rigidité diélectrique de l' azote gazeux .

Rigidité diélectrique (en MV/m, soit 10 ⁶ ⋅volt/mètre) de divers matériaux courants :

Substance	Rigidité diélectrique (MV/m) ou (Volts/micron)
Hélium (par rapport à l'azote)	0,15
Air	3
Hexafluorure de soufre	8,5–9,8
Alumine	13.4
Verre de fenêtre	9,8–13,8
Verre borosilicaté	20-40
L' huile de silicone , huile minérale	10-15
Benzène	163
polystyrène	19.7
Polyéthylène	19-160
Caoutchouc néoprène	15,7-26,7
Eau distillée	65-70
Haut vide (200 TPa ) (émission de champ limitée)	20-40 (dépend de la forme de l'électrode)
Silice fondue	470–670
Papier ciré	40–60
PTFE (Téflon, extrudé )	19.7
PTFE (Téflon, film isolant)	60-173
PEEK (Polyéther éther cétone)	23
Mica	118
diamant	2 000
PZT	10–25

Unités

En SI , l'unité de rigidité diélectrique est le volt par mètre (V/m). Il est également courant de voir des unités associées telles que les volts par centimètre (V/cm), les mégavolts par mètre (MV/m), etc.

Dans les unités usuelles des États-Unis , la rigidité diélectrique est souvent spécifiée en volts par mil (un mil correspond à 1/1000 de pouce ). La conversion est :