Rigidite dielectrique

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 électrique (donc d’un court-circuit).On utilise aussi l'expression champ disruptif qui est synonyme mais plus fréquemment utilisée pour qualifier la tenue d'une installation, alors que le terme rigidité diélectrique est plus utilisé pour qualifier un matériau. Pour un condensateur quand cette valeur est dépassée, l’élément est détruit. La valeur maximale de la tension électrique appliquée aux bornes, est appelée tension de claquage du condensateur.

Exemple

Dans le cas d'un disjoncteur à haute tension, c'est la valeur maximum du champ qui peut être supportée après l'extinction 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'où l'échec de la tentative d'interruption du courant.

Cas particulier d'un isolant gazeux

Dans le cas d'un isolant gazeux, la rigidité diélectrique dépend de la pression du gaz, selon une relation non linéaire. La Loi de Paschen décrit cette relation.

Le champ disruptif de l'air

À la base, l'air est un fort isolant. Mais sous de fortes tensions, les électrons qui composent les atomes des molécules de l'air sont littéralement arrachés à leur orbite de valence pour participer à la conduction électrique : la foudre traverse alors l'atmosphère. 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, 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, 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 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 et, qui est polarisable par un champ électrique. Dans la plupart des cas, les propriétés du diélectrique sont dues à la polarisation 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 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. Elle s'exprime par la permittivité relative, déterminée par rapport à celle du vide.
• La force 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 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	14
huile silicone	15
Papier	16
Bakelite	24
Polystyrène	24
Teflon	60

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