Matériaux diélectriques et électrostatique

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Directeur de Collection : SABONNADIÈRE Jean-Claude

Langue : Français

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Date de parution :
Ouvrage 194 p. · 15.6x23.4 cm · Broché · 
ISBN : 9782746245341 EAN : 9782746245341
Hermes Science

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Centré sur l’isolation électrique, cet ouvrage s’intéresse plus particulièrement aux fondements physiques de la discipline et aux applications qui en découlent. Il présente une approche mathématique et intuitive du diélectrique et traite des notions de polarisation, d’induction, de forces et de pertes. Incluant une description phénoménologique des décharges dans le gaz, ce livre donne au lecteur les clés de la physique des isolants solide, liquide et gazeux. Il analyse également les principales propriétés électriques des liquides et des solides afin d’expliquer en détail les phénomènes de dégradation, de dissipation et de claquage électrique. Matériaux diélectriques et électrostatique s’adresse aux chercheurs et aux ingénieurs qui y puiseront les fondements indispensables à l’étude du domaine, ainsi qu’aux enseignants et aux universitaires qui recherchent un cours original doté d’une approche intuitive.

Préface - Pierre ATTEN

Chapitre 1. Étude mathématique des diélectriques . . . . . . . . . . . . 11

1.1. Introduction aux diélectriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.1.1. Polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.1.2. Ionisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.1.3. Diélectriques polarisés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.1.4. Induction électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.1.5. Passage d’un diélectrique à l’autre . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.1.6. Passage d’un diélectrique à un conducteur . . . . . . . . . . . 21

1.1.7. Energie contenue dans un diélectrique . . . . . . . . . . . . . . 21

1.2. Diélectriques parfaits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.2.1. Réfraction des lignes de force et d’induction . . . . . . . . . . 24

1.2.2. Champ au voisinage d’un conducteur chargé . . . . . . . . . 26

1.2.3. Pression électrostatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1.2.4. Eléments correspondants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.2.5. Equilibre d’un système de conducteurs . . . . . . . . . . . . . 29

1.2.6. Capacités et coefficients d’influence . . . . . . . . . . . . . . . 30

1.2.7. Calcul du champ dans les interstices . . . . . . . . . . . . . . . 32

1.2.8. Champ dépolarisant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

1.3. Forces exercées sur les diélectriques polarisés . . . . . . . . . . . . 40

1.3.1. Forces exercées sur un diélectrique solide rigidement polarisé . . .41

1.3.2. Forces exercées sur un diélectrique parfait solide . . . . . . . 42

1.3.3. Forces exercées sur un diélectrique liquide . . . . . . . . . . . 46

1.3.4. Electrostriction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

1.4. Pertes diélectriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

1.5. Charges résiduelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

1.6. Electrets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

1.7. Caractéristiques d’un isolant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

1.8. Pyro et piézoélectricité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

1.8.1. Pyroélectricité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

1.8.2. Piézoélectricité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

1.8.2.1. Mesure de pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

1.8.2.2. Mesure de charge d’espace . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

1.8.2.3. Génération de pression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

1.8.2.4. Génération de bases de temps . . . . . . . . . . . . . . . . 64

1.9. Courants dans les conducteurs étendus . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

1.9.1. Densité de courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

1.9.1.1. Application : conductibilité d’un électrolyte . . . . . . . 66

1.9.2. Expression de la loi d’Ohm dans un conducteur étendu . . . . . . . . . 67

1.9.3. Conservation de la densité de courant . . . . . . . . . . . . . . 68

1.9.4. Répartition du courant dans un milieu étendu . . . . . . . . . 69

1.9.5. Puissance dissipée par effet Joule . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

1.9.6. Résistance du milieu conducteur . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

1.9.6.1. Application : bain d’électrolyse . . . . . . . . . . . . . . . 71

1.9.6.2. Application : prise de terre . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

1.9.6.3. Application : résistance d’isolement d’un câble . . . . . 73

1.9.6.4. Application : étude du champ électrique dans le vide .. . . . 73

1.9.6.5. Application : dégagement de chaleur dans un bain . . . 74

1.9.6.6. Application : électrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

1.9.6.7. Application : hydrodynamique et aérodynamique . . . 75

1.9.6.8. Application : retour par la terre . . . . . . . . . . . . . . . 76

1.9.7. Déviation du courant électrique lorsque l’on traverse la surface séparant deux conducteurs. . . . . 77

Chapitre 2. Etude physique des diélectriques . . . . . . . . . . . . . . . . 79

2.1. Diélectriques gazeux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

2.1.1. Rappel des propriétés des gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

2.1.1.1. Mouvement des ions et des électrons dans les gaz . . . . 81

2.1.1.2. Excitation des vibrations et rotations moléculaires par choc d’électrons . . .. . 85

2.1.1.3. Formation d’ions négatifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

2.1.2. Ionisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

2.1.2.1. Etude de l’ionisation d’un gaz par choc d’électrons . . . . . . . . 87

2.1.3. Etude des conditions d’amorçage de la décharge auto-entretenue . . . . 91

2.1.3.1. Probabilité de l’amorçage de la décharge autonome . . . . . . . . . . . 92

2.1.3.2. Cas des champs non uniformes . . . . . . . . . . . . . . . 94

2.1.3.3. Loi de Paschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

2.1.3.4. Mécanismes secondaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

2.1.3.5. Cas de l’éclair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

2.1.4. L’effet couronne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

2.1.4.1. Cas d’une pointe négative . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

2.1.4.2. Cas d’une pointe ou d’un fil positif . . . . . . . . . . . . 107

2.1.4.3. Calcul du champ électrique en présence de charge d’espace .. . . . . 109

2.1.4.4. Circonstances et appareils où intervient l’effet couronne . . . . . . . . 114

2.1.4.5. Electrisation d’une sphère conductrice . . . . . . . . . . 117

2.1.4.6. Application : dépoussiérage électrostatique . . . . . . . 120

2.1.4.7. Application : projection de peinture . . . . . . . . . . . . 121

2.1.4.8. Application : projection de poudres ou de fils . . . . . . 122

2.1.4.9. Application : triage électrostatique . . . . . . . . . . . . . 123

2.1.4.10. Effluves entre isolants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

2.1.5. Emploi des gaz comme isolants . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

2.1.5.1. Utilisation de faibles pressions . . . . . . . . . . . . . . . 126

2.1.5.2. Utilisation de grandes pressions . . . . . . . . . . . . . . 127

2.2. Diélectriques solides et liquides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

2.2.1. Conductibilité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

2.2.1.1. Solides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

2.2.1.2. Liquides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

2.2.2. Physique de la polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

2.2.2.1. Champ effectif agissant sur les atomes d’un diélectrique . . . . . . . 131

2.2.2.2. Polarisation par rotation dans les liquides (extensible aux gaz) . . . . . 135

2.2.2.3. Relations entre les moments et la structure chimique . . . . . . . 140

2.2.2.4. Propriétés des molécules polaires . . . . . . . . . . . . . 141

2.2.3. Pertes dans les diélectriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

2.2.3.1. Conséquences des pertes diélectriques . . . . . . . . . . 144

2.2.3.2. Causes des pertes diélectriques . . . . . . . . . . . . . . . 144

2.2.4. Perforation des diélectriques solides . . . . . . . . . . . . . . . 148

2.2.4.1. Phénomènes thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

2.2.4.2. Phénomènes chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

2.2.4.3. Valeur numérique de la rigidité diélectrique intrinsèque des solides . . . . . . . . 151

2.2.4.4. Etude de la perforation par effet thermique . . . . . . . 153

2.2.4.5. Etude de la perforation par ionisation des vacuoles . . . . . . 161

Annexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

Annexe 1. Liste des figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

Annexe 2. Liste des symboles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

Annexe 3. Liste des valeurs utiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

Annexe 4. Mémento sur la spectroscopie diélectrique . . . . . . . . . . 183

Annexe 5. Mémento sur les courants transitoires . . . . . . . . . . . . . 185

Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

Les auteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191