Discussion
l’idée de base
Les diélectriques sont des isolants, tout simplement. Les deux mots font référence à la même classe de matériaux, mais sont d’origine différente et sont utilisés préférentiellement dans des contextes différents.
- Puisque les charges ont tendance à ne pas se déplacer facilement dans les solides non métalliques, il est possible d’avoir des « îlots » de charge dans le verre, la céramique et les plastiques. Le mot latin pour île est insula, d’où l’origine du mot isolant. En revanche, les charges des solides métalliques ont tendance à se déplacer facilement, comme si quelqu’un ou quelque chose les guidait. Le préfixe latin con ou com signifie « avec ». Une personne avec laquelle on mange du pain est un compagnon. (Le mot latin pour pain est panis.) Prendre quelque chose avec soi sur la route, c’est le transporter. (Le mot latin pour route est via.) La personne avec qui vous voyagez et qui ouvre la voie ou assure un passage sûr est un conducteur. (Le mot latin pour leader est ductor.) Un matériau qui fournit un passage sûr pour les charges électriques est un conducteur.
- Insérer une couche de solide non métallique entre les plaques d’un condensateur augmente sa capacité. Le préfixe grec di ou dia signifie « en travers ». Une ligne traversant les angles d’un rectangle est une diagonale. (Le mot grec pour angle est gonia – γωνία.) La mesure à travers un cercle est un diamètre. (Le mot grec pour mesure est metron – μέτρον.) Le matériau placé en travers des plaques d’un condensateur comme un petit pont non conducteur est un diélectrique.
Le revêtement plastique d’un cordon électrique est un isolant. Les plaques de verre ou de céramique utilisées pour soutenir les lignes électriques et les empêcher de court-circuiter à la terre sont des isolants. À peu près chaque fois qu’un solide non métallique est utilisé dans un dispositif électrique, on l’appelle un isolant. La seule fois où le mot diélectrique est utilisé est peut-être en référence à la couche non conductrice d’un condensateur.
Les diélectriques dans les condensateurs servent trois objectifs :
- pour empêcher les plaques conductrices d’entrer en contact, ce qui permet de réduire la séparation des plaques et donc d’obtenir des capacités plus élevées ;
- pour augmenter la capacité effective en réduisant l’intensité du champ électrique, ce qui signifie que vous obtenez la même charge à une tension plus faible ; et
- pour réduire la possibilité de court-circuit par étincelle (plus formellement connu sous le nom de claquage diélectrique) pendant le fonctionnement à haute tension.
Qu’est-ce qui se passe ici
Lorsqu’un métal est placé dans un champ électrique, les électrons libres circulent contre le champ jusqu’à ce qu’ils n’aient plus de matériau conducteur. En un rien de temps, on aura un excès d’électrons d’un côté et un déficit de l’autre. Un côté du conducteur est devenu négativement chargé et l’autre positivement. Relâchez le champ et les électrons du côté chargé négativement se trouvent maintenant trop proches pour être confortables. Les charges semblables se repoussent et les électrons s’éloignent les uns des autres aussi vite qu’ils le peuvent jusqu’à ce qu’ils soient distribués uniformément dans tout l’univers ; un électron pour chaque proton en moyenne dans l’espace entourant chaque atome. Un électron conducteur dans un métal est comme un chien de course enfermé dans un pâturage. Il est libre de se balader autant qu’il le souhaite et peut courir sur toute la longueur, la largeur et la profondeur du métal sur un coup de tête.
La vie est beaucoup plus restrictive pour un électron dans un isolant. Par définition, les charges dans un isolant ne sont pas libres de se déplacer. Ce n’est pas la même chose que de dire qu’elles ne peuvent pas se déplacer. Un électron dans un isolant est comme un chien de garde attaché à un arbre – libre de se déplacer, mais dans certaines limites. Placer les électrons d’un isolant en présence d’un champ électrique, c’est comme placer un chien attaché en présence d’un facteur. Les électrons s’opposeront au champ autant qu’ils le peuvent, de la même manière que notre chien hypothétique s’opposera à sa laisse autant qu’il le peut. Cependant, à l’échelle atomique, les électrons ressemblent davantage à des nuages qu’à des chiens. L’électron est effectivement réparti sur tout le volume d’un atome et n’est pas concentré en un seul endroit. Un bon chien atomique ne s’appellerait pas Spot, je suppose.
Lorsque les atomes ou les molécules d’un diélectrique sont placés dans un champ électrique externe, les noyaux sont poussés avec le champ, ce qui entraîne une charge positive accrue d’un côté tandis que les nuages d’électrons sont tirés contre lui, ce qui entraîne une charge négative accrue de l’autre côté. Ce processus est connu sous le nom de polarisation et un matériau diélectrique dans un tel état est dit polarisé. Il existe deux méthodes principales par lesquelles un diélectrique peut être polarisé : l’étirement et la rotation.
L’étirement d’un atome ou d’une molécule entraîne un moment dipolaire induit ajouté à chaque atome ou molécule.
La rotation ne se produit que dans les molécules polaires – celles qui ont un moment dipolaire permanent comme la molécule d’eau représentée dans le schéma ci-dessous.
Les molécules polaires se polarisent généralement plus fortement que les molécules non polaires. L’eau (une molécule polaire) a une rigidité diélectrique 80 fois supérieure à celle de l’azote (une molécule non polaire qui est le principal composant de l’air). Cela se produit pour deux raisons, dont l’une est généralement triviale. Premièrement, toutes les molécules s’étirent dans un champ électrique, qu’elles tournent ou non. Les molécules et atomes non polaires s’étirent, tandis que les molécules polaires s’étirent et tournent. Cette combinaison d’actions n’a toutefois qu’un effet minime sur le degré global de polarisation d’une substance. Ce qui est plus important, c’est que les molécules polaires sont déjà fortement étirées – naturellement. La façon dont les atomes d’hydrogène se placent sur les bras des nuages d’électrons d’un atome d’oxygène déforme la molécule en un dipôle. Tout cela se passe à l’échelle interatomique ou moléculaire. À des séparations aussi minuscules, la force du champ électrique est relativement énorme pour ce qui serait autrement une tension banale (13,6 V pour un électron dans un atome d’hydrogène, par exemple).
L’étirement et la rotation ne sont pas la fin de l’histoire en matière de polarisation. Ce sont juste les méthodes les plus simples à décrire pour l’observateur occasionnel. En général, la polarisation d’un matériau diélectrique est une déformation électrostatique microscopique en réponse à une contrainte électrostatique macroscopique. Un champ externe appliqué à un diélectrique ne peut pas faire bouger les charges de manière macroscopique, mais il peut les étirer et les déformer de manière microscopique. Il peut les pousser dans des positions inconfortables et, une fois relâchées, leur permettre de revenir à un état de relaxation. Ce qui différencie la polarisation d’un isolant de l’étirement d’un corps élastique comme un ressort, c’est que l’élimination de la contrainte ne libère pas nécessairement la tension. Certains isolants resteront dans leur état polarisé pendant des heures, des jours, des années, voire des siècles. Les temps caractéristiques les plus longs doivent être extrapolés à partir d’observations incomplètes d’une durée plus raisonnable. Personne ne va s’asseoir et attendre deux mille ans pour voir la polarisation d’un morceau de plastique se réduire à zéro. L’attente n’en vaut pas la peine.
Enfin, il est quelque peu important de garder à l’esprit que les charges « stockées » dans une couche diélectrique ne sont pas disponibles en tant que pool de charges libres. Pour les extraire, il faut encore des plaques métalliques. Il est important de se rappeler que la seule raison pour laquelle on semble s’intéresser à ce phénomène est qu’il nous aide à fabriquer de meilleurs condensateurs. Je pense que c’est là que cette discussion devrait se terminer.
Condensateurs avec diélectriques
Placez une couche diélectrique entre deux plaques métalliques chargées parallèles avec un champ électrique pointant de droite à gauche. (Pourquoi pas de gauche à droite ? Eh bien, je lis de droite à gauche, donc cela rend les diagrammes plus faciles à « lire » pour moi). Les noyaux positifs du diélectrique vont se déplacer avec le champ vers la droite et les électrons négatifs vont se déplacer contre le champ vers la gauche. Les lignes de champ commencent sur des charges positives et se terminent sur des charges négatives, de sorte que le champ électrique à l’intérieur de chaque atome ou molécule stressé du diélectrique pointe de gauche à droite dans notre diagramme – à l’opposé du champ externe des deux plaques métalliques. Le champ électrique est une quantité vectorielle et lorsque deux vecteurs sont orientés dans des directions opposées, il faut soustraire leurs amplitudes pour obtenir la résultante. Les deux champs ne s’annulent pas tout à fait dans un diélectrique comme ils le feraient dans un métal, donc le résultat global est un champ électrique plus faible entre les deux plaques.
Magnifier
Laissez-moi répéter cela – le résultat global est un champ électrique plus faible entre les deux plaques. Faisons un peu de mathématiques.
Le champ électrique est le gradient du potentiel électrique (mieux connu sous le nom de tension).
| Ex = – | ∆V | ||
| ∆x | |||
| Ey = – | ∆V | ⇒ | . E = – ∇V |
| ∆y | |||
| Ez = – | ∆V | ||
| ∆z |
La capacité est le rapport entre la charge et la tension.
| C = | Q | V |
L’introduction d’un diélectrique dans un condensateur diminue le champ électrique, ce qui diminue la tension, ce qui augmente la capacité.
| C ∝ | 1 | (Q constant) | ⇒ | C ∝ | (d, Q constant) | |
| V | 1 | |||||
| V ∝ E (d constant) | E | |||||
Un condensateur avec un diélectrique stocke la même charge qu’un condensateur sans diélectrique, mais à une tension plus faible. Par conséquent, un condensateur contenant un diélectrique est plus efficace.
CETTE PETITE PARTIE ICI A BESOIN DE TRAVAIL.
A propos des premières découvertes de la jarre de Leyde. Le retrait de la tige fait baisser la capacité. (L’air a une constante diélectrique plus faible que l’eau.) La tension et la capacité sont inversement proportionnelles lorsque la charge est constante. Réduire la capacité augmente la tension.
Susceptibilité, permittivité, constante diélectrique
Le moment dipolaire électrique de toute chose – qu’il s’agisse d’un atome étiré dans un champ électrique externe, d’une molécule polaire ou de deux sphères métalliques de charge opposée – est défini comme le produit de la charge et de la séparation.
p = q r
avec l’unité SI du coulomb-mètre, qui n’a pas de nom particulier.
La polarisation d’une région est définie comme le moment dipolaire par unité de volume
| . P = | ∑p |
| V |
avec l’unité SI de coulomb par mètre carré.
| ⎡ ⎢ ⎣ |
Cm | = | C | ⎤ ⎥ ⎦ |
| m3 | m2 |
Calculer la polarisation à partir des premiers principes est une procédure difficile qu’il vaut mieux laisser aux experts. Ne vous préoccupez pas des détails qui expliquent pourquoi la polarisation a la valeur qu’elle a, acceptez simplement qu’elle existe et qu’elle est fonction de certaines variables. Et quelles sont ces variables ? Ce sont le matériau et l’intensité du champ, bien sûr. Différents matériaux se polarisent à différents degrés – nous utiliserons la lettre grecque χe pour représenter cette quantité connue sous le nom de susceptibilité électrique – mais pour la plupart des matériaux, plus le champ (E) est fort, plus la polarisation (P) est importante. Ajoutez une constante de proportionnalité ε0 et tout est réglé.
P = ε0χeE
La susceptibilité électrique est un paramètre sans dimension qui varie avec le matériau. Sa valeur va de 0 pour l’espace vide à n’importe quoi. Je parie qu’il existe même des matériaux bizarres pour lesquels ce coefficient est négatif (mais je n’en suis pas sûr). La constante de proportionnalité ε0 est connue comme la permittivité de l’espace libre et sera discutée un peu plus tard. Pour l’instant, il s’agit juste d’un dispositif permettant de faire fonctionner les unités.
| ⎡ ⎢ ⎣ |
C | = | C2 | N | ⎤ ⎥ ⎦ |
|
| m2 | N m2 | C |
Écrire le reste de ceci.
La quantité κ est sans unité.
| matériau | κ | matériau | κ | |
|---|---|---|---|---|
| air | 1.005364 | quartz, cristallin (∥) | 4,60 | |
| acide acétique | 6.2 | quartz, cristallin (⊥) | 4,51 | |
| alcool éthylique (grain) | 24.55 | quartz, fondu | 3.8 | alcool, méthyle (bois) | 32,70 | caoutchouc, butyle | 2.4 |
| ambre | 2,8 | caoutchouc, néoprène | 6.6 | |
| amiante | 4,0 | caoutchouc, silicone | 3.2 | |
| asphalte | 2,6 | caoutchouc, vulcanisé | 2.9 | |
| bakélite | 4,8 | sel | 5.9 | |
| calcite | 8,0 | sélénium | 6.0 | |
| carbonate de calcium | 8,7 | silicium | 11.8 | cellulose | 3,7-7,5 | carbure de silicium (αSiC) | 10.2 |
| ciment | ~2 | dioxyde de silicium | 4.5 | |
| cocaïne | 3,1 | silicone oil | 2.7-2,8 | |
| coton | 1.3 | sol | 10-20 | |
| diamant, type I | 5.87 | strontium titanate, +25 °C | 332 | |
| diamant, type IIa | 5.66 | strontium titanate, -195 °C | 2080 | |
| ebonite | 2.7 | soufre | 3,7 | |
| époxy | 3.6 | pentoxyde de tantale | 27 | |
| farine | 3 -. 5 | teflon | 2.1 | freon 12, -150 °C (liquide) | 3.5 | antimoniure d’étain | 147 |
| fréon 12, +20 °C (vapeur) | 2.4 | stelluride d’étain | 1770 | |
| germanium | 16 | dioxyde de titane (rutile) | 114 | |
| verre | 4-7 | tabac | 1.6-1,7 | verre, pyrex 7740 | 5.0 | dioxyde d’uranium | 24 |
| gutta percha | 2.6 | vacuum | 1 (exactement) | |
| jet fuel (jet a) | 1.7 | eau, glace, -30 °C | 99 | |
| oxyde de plomb | 25.9 | eau, liquide, 0 °C | 87.9 | |
| niobate de magnésium de plomb | 10 000 | eau, liquide, 20 °C | 80.2 | |
| sulfure de plomb (galène) | 200 | eau, liquide, 40 °C | 73.2 | |
| titanate de plomb | 200 | eau, liquide, 60 °C | 66.7 | |
| deutéride de lithium | 14.0 | eau, liquide, 80 °C | 60,9 | |
| lucite | 2.8 | eau, liquide, 100 °C | 55,5 | mica, muscovite | 5.4 | cire, cire d’abeille | 2,7-3,0 |
| mica, canadien | 6.9 | cire, carnuba | 2,9 | |
| nylon | 3.5 | cire, paraffine | 2,1-2,5 | |
| huile, lin | 3.4 | papier ciré | 3,7 | |
| huile, minérale | 2.1 | |||
| huile, olive | 3.1 | tissus humains | κ | |
| huile, pétrole | 2,0-2.2 | os, spongieux | 26 | |
| huile, silicone | 2.5 | os, cortical | 14,5 | |
| huile, sperme | 3.2 | cerveau, matière grise | 56 | |
| huile, transformateur | 2.2 | cerveau, substance blanche | 43 | |
| papier | 3.3, 3,5 | cerveau, méninges | 58 | |
| plexiglas | 3.1 | cartilage, général | 22 | |
| polyester | 3.2-4,3 | cartilage, oreille | 47 | |
| polyéthylène | 2.26 | oeil, humeur aqueuse | 67 | |
| polypropylène | 2,2-2.3 | oeil, cornée | 61 | |
| polystyrène | 2.55 | oeil, sclérotique | 67 | |
| chlorure de polyvinyle (pvc) | 4.5 | gras | 16 | |
| porcelaine | 6-8 | muscle, lisse | 56 | |
| niobate de potassium | 700 | muscle, strié | 58 | |
| niobate de tantalate de potassium, 0 °C | 34 000 | skin | 33-44 | |
| niobate de tantalate de potassium, 20 °C | 6,000 | longue | 38 |
découpage diélectrique
Tout isolant peut être forcé à conduire l’électricité. Ce phénomène est connu sous le nom de claquage diélectrique.
| matériau | champ (MV/m) |
matériau | champ (MV/m) |
air | 3 | papier | 14, 16 |
|---|---|---|---|---|---|
| ambre | 90 | polyéthylène | 50, 500-700, 18 | bakélite | 12, 24 | polystyrène | 24, 25, 400-600 |
| diamant, type IIa | 10 | chlorure de polyvinyle (PVC) | 40 | ||
| verre, pyrex 7740 | 13, 14 | porcelaine | 4, 12 | ||
| mica, muscovite | 160 | quartz, fondu | 8 | ||
| nylon | 14 | caoutchouc, néoprène | 12, 12 | ||
| huile, silicone | 15 | strontium titanate | 8 | ||
| huile, transformateur | 12, 27 | teflon | 60 | ||
| dioxyde de titane (rutile) | 6 |
effet piézoélectrique
Dites toutes les voyelles. La piézoélectricité est un effet par lequel l’énergie est convertie entre des formes mécaniques et électriques.
- Piezo est le mot grec pour pression (πιεζω).
- Découvert dans les années 1880 par les frères Curie.
- Microphones piézoélectriques bon marché. Lorsqu’un cristal polarisé est sollicité, la contrainte produit une différence de potentiel. Cette différence de potentiel est proportionnelle à la contrainte, qui est proportionnelle à la pression acoustique.
- Un microphone piézoélectrique à rebours est un haut-parleur piézoélectrique : buzzer de réveil, carillon de montre-bracelet, toutes sortes de bips électroniques. Lorsqu’un potentiel électrique est appliqué à un cristal polarisé, celui-ci subit une déformation mécanique qui peut à son tour créer une pression acoustique.
- Le collagène est piézoélectrique. » Lorsqu’une force est appliquée au collagène, un petit potentiel électrique en courant continu est généré. Le collagène conduit le courant principalement par des charges négatives. Les cristaux minéraux de l’os (apatite) proches du collagène conduisent le courant par des charges positives. À la jonction de ces deux types de semi-conducteurs, le courant circule facilement dans un sens mais pas dans l’autre….. On pense que les forces exercées sur les os produisent des potentiels par effet piézoélectrique et qu’aux jonctions collagène-apatite, des courants sont produits qui induisent et contrôlent la croissance osseuse. Les courants sont proportionnels à la contrainte (force par unité de surface), de sorte qu’une augmentation de la contrainte mécanique sur les os entraîne une augmentation de la croissance. » Physique du corps (255).
| type | des sons produisent des changements dans… |
ceux-ci. causent des changements dans… |
qui entraînent des changements dans… |
|---|---|---|---|
| Carbone | densité granulaire | résistance | tension |
| condenseur | séparation des plaques | capacité | tension | dynamique | emplacement de la bobine | flux | tension |
| piézoélectrique | compression | polarisation | tension |
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