Rigidité diélectrique
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La rigidité diélectrique d’un milieu isolant représente la valeur maximum du champ électrique que le milieu peut supporter avant le déclenchement d’un arc électrique (donc d’un court-circuit).On utilise aussi l'expression champ disruptif (La rigidité diélectrique d’un milieu isolant représente la valeur maximum du champ électrique que le milieu peut supporter avant le déclenchement d’un arc...) qui est synonyme mais plus fréquemment utilisée pour qualifier la tenue d'une installation, alors que le terme rigidité diélectrique (La rigidité diélectrique d’un milieu isolant représente la valeur maximum du champ électrique que le milieu peut supporter avant le déclenchement d’un arc...) est plus utilisé pour qualifier un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...). Pour un condensateur (Un condensateur est un composant électronique ou électrique dont l'intérêt de base est de pouvoir recevoir et rendre une charge électrique, dont la valeur est proportionnelle à la tension. Il se caractérise par sa Capacité électrique....) quand cette valeur est dépassée, l’élément est détruit. La valeur maximale de la tension (La tension est une force d'extension.) électrique appliquée aux bornes, est appelée tension de claquage (En électronique ou électrotechnique, le claquage est un phénomène qui touche entre autres tous les éléments qui ont un but isolant (condensateurs...), et qui se produit...) du condensateur.

Si le champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à distance par des particules chargées...) dépasse la rigidité diélectrique du matériau, on parle de claquage, et le matériau peut voir ses propriétés physiques modifiées, parfois de façon réversible, et parfois de façon irréversible.

Exemple

Dans le cas d'un disjoncteur (Un disjoncteur est un organe électromécanique, voire électronique, de protection, dont la fonction est d'interrompre le courant électrique en cas d'incident sur un circuit électrique. Il est capable d'interrompre un courant de...) à haute tension, c'est la valeur maximum du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) qui peut être supportée après l'extinction (D'une manière générale, le mot extinction désigne une action consistant à éteindre quelque chose. Plus particulièrement on retrouve ce terme dans plusieurs domaines :) de l'arc (l'interruption du courant). Si la rigidité diélectrique est inférieure au champ imposé par le rétablissement de la tension, un réamorçage de l'arc se produit d'ou l'échec de la tentative d'interruption du courant.

Cas particulier d'un isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les...) gazeux

Dans le cas d'un isolant gazeux, la rigidité diélectrique dépend de la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) du gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de...), selon une relation non linéaire. La Loi de Paschen décrit cette relation.

Le champ disruptif de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il...)

À la base, l'air est un fort isolant. Mais sous de fortes tensions, les électrons qui composent les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant...) des molécules de l'air sont littéralement arrachés à leur orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) de valence pour participer à la conduction électrique : la foudre (La foudre est un phénomène naturel de décharge électrostatique disruptive qui se produit lorsque de l'électricité statique s'accumule entre des nuages d'orage ou entre un tel nuage et la terre. La...) traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement...) alors l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :). La valeur du champ disruptif de l'air la plus communément admise est :

\begin{Vmatrix}\vec E_{disruptif}(air)\end{Vmatrix} \approx 3,6.10^6\ V.m^{-1} \approx 36\ 000\ V.cm^{-1}

On peut interpréter de manière très simple cette formule, en disant que dans de l'air sec, il faut une différence de potentiel de 36 000 Volts pour faire une étincelle entre 2 points écartés de 1 centimètre (Un centimètre (symbole cm) vaut 10-2 = 0,01 mètre.), ou 3600 Volts pour faire une étincelle entre 2 points écartés de 1 millimètre.

Cette interprétation étant plus connue sous le nom de " règle des 30 000 V par cm ". Cela laisse présager en outre de l'ordre de grandeur des tensions mises en jeu dans le phénomène de la foudre.

Pour un air saturé en humidité (L'humidité est la présence d'eau ou de vapeur d'eau dans l'air ou dans une substance (linge, pain, produit chimique, etc.).), cette valeur peut tomber à 10 000 V par cm.

Autres gaz diélectriques

Des gaz autres que l'air sont utilisés dans l'appareillage à haute tension afin de réduire son encombrement. L'hexafluorure de soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de numéro atomique 16.) est largement utilisé en haute tension car son champ disruptif est au moins deux fois supérieur à celui de l'air.

Propriétés particulières

La rigidité diélectrique évoque aussi le diélectrique qui est un isolant, ou une substance qui ne conduit pas l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie les phénomènes...) et, qui est polarisable par un champ électrique. Dans la plupart des cas, les propriétés du diélectrique sont dues à la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation est le fait...) de la substance.

  • Lorsque un diélectrique, en l'occurrence l'air est placé dans un champ électrique, les électrons et les protons de ses atomes se réorientent et, dans certains cas, à l'échelle moléculaire, une polarisation est induite (un phénomène observé dans les dipôles).
  • Cette polarisation engendre une différence de potentiel, ou tension, entre les deux bornes du diélectrique ; celui-ci emmagasine alors de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) qui devient disponible lorsque le champ électrique est supprimé.
  • L'efficacité d'un diélectrique est sa capacité relative à emmagasiner de l'énergie comparée à celle du vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.). Elle s'exprime par la permittivité (En électromagnétisme, la permittivité ε d'un matériau est le rapport D/E du déplacement électrique (aussi appelé induction électrique ou excitation électrique) D (en coulombs par mètre carré) et de l'intensité du champ...) relative, déterminée par rapport à celle du vide.
  • La force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au...) diélectrique est la capacité d'un diélectrique à résister aux champs électriques sans perdre ses propriétés isolantes.
  • Un diélectrique efficace libère une grande partie de l'énergie qu'il a emmagasinée lorsque le champ électrique est inversé.

Cas des câbles

On peut également parler de champ disruptif dans le cas des câbles électriques, où le cœur (appelé également l'âme) est séparé de la gaine de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution...) par un isolant. Ici encore, un champ électrique radial trop élevé conduit au claquage de cet isolant, endommageant irréversiblement le câble.

Valeurs numériques

Rigidité diélectrique de quelques diélectriques usuels
Matériau Rigidité Diélectrique
(MV/m)
Air 3
Quartz 8
Titanate de strontium 8
Néoprène 12
Nylon 14
Pyrex (Le pyrex est un verre borosilicate présentant un faible coefficient de dilatation. Il est principalement utilisé pour les optiques non transmissives comme les...) 14
huile (L'huile est un terme générique désignant des matières grasses qui sont à l'état liquide à température ambiante et qui ne se...) silicone (Les silicones, ou polysiloxanes, sont des composés inorganiques formés d'une chaine silicium-oxygène (...-Si-O-Si-O-Si-O-...) sur laquelle des groupes se fixent, sur les atomes de silicium. Certains groupes organiques...) 15
Papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales et animales. Il se présente sous forme de feuilles minces et est considéré comme un matériau de base dans...) 16
Bakelite 24
Polystyrène 24
Teflon 60
Électromagnétisme (L'électromagnétisme est une branche de la physique qui fournit un cadre très général d'étude des phénomènes électriques et magnétiques dans leur synthèse du champ électromagnétique : le champ électromagnétique est produit...) | Électricité | Électronique | Électrotechnique | Électrochimie | Automatique
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Électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.) : Champ électrique · Charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non...) électrique · Gauss · Loi de Coulomb · Potentiel électrique (Le potentiel électrique est l'une des grandeurs définissant l'état électrique d'un point de l'espace. Son unité est le volt.)

Magnétostatique (La magnétostatique est l'étude des phénomènes où le champ magnétique est statique, c’est-à-dire ne dépend pas du temps.) : Ampère · Champ magnétique · Courant électrique · Moment magnétique (En magnétostatique, soit une distribution de courants permanents à support compact de volume V.)

Électrocinétique (L'Électrocinétique, est l'étude de circuits électriques et, est surtout celle du déplacement de l'électricité dans les milieux matériels, par opposition à l'électrostatique qui étudie...) : Champ électromagnétique · Courant de déplacement · Équations de Maxwell · Force électromotrice · Force de Lorentz · Induction magnétique · Loi de Lenz-Faraday · Rayonnement électromagnétique (Un rayonnement électromagnétique désigne une perturbation des champs électrique et magnétique.)

Circuit électrique (Un circuit électrique est un ensemble simple ou complexe de conducteurs et de composants électriques ou électroniques parcouru par un courant électrique.) : Condensateur · Électronique · Générateur électrique · Guide d'onde · Impédance · Inductance · Résistance électrique

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