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PARTIE I: MATERIAUX DIELECTRTIQUES Chapitre I: Matériaux diélectriques et appli

PARTIE I: MATERIAUX DIELECTRTIQUES Chapitre I: Matériaux diélectriques et applications industrielles I.1 Introduction et Historique Les matériaux ont de tout temps défini le niveau de développement de notre civilisation. Quelle que soit sa spécialité, l’ingénieur ne peut ni concevoir, ni construire de nouveaux objets sans tenir compte du comportement des matériaux, car ce sont leurs propriétés qui limitent très souvent les performances des équipements. Les propriétés des matériaux sont définies par la nature des liaisons chimiques, l’arrangement atomique et la microstructure. Le concept de la science des matériaux est né de la nécessité d’acquérir la maîtrise des propriétés des matériaux par la connaissance des lois fondamentales qui régissent leur comportement. Les matériaux sont définis comme toute matière solide, liquide ou gazeuse utilisée par l’être humain pour la fabrication des objets constituant le support de son cadre de vie. Tous les secteurs de l’activité humaine dépendent des matériaux. Ils apparaissent aussi dans notre corps pour renforcer ou se substituer à nos biomatériaux endommagés. Les divers matériaux peuvent être classés suivant leurs propriétés, leur composition ou leur microstructure. On distingue les 5 grands groupes de matériaux suivants: - Les matériaux diélectriques; - Les matériaux magnétiques; - Les supraconducteurs; - Les conducteurs; - Les semi-conducteurs L´histoire des diélectriques peut être subdivisée en trois périodes: - La première a débuté avec la découverte des propriétés de l’ambre et s’est achevée à la fin du 16ème siècle. Celle-ci a drainé beaucoup d ´intérêt surtout chez les philosophes et les historiens. - En 1600, avec les travaux de W. Gilbert s’est ouverte une deuxième période, riche en événements, pendant laquelle l’histoire des isolants se confond avec celle de l’électricité. Les machines électriques, apparues vers 1705, offrent de nouvelles possibilités aux expérimentateurs. La date de son achèvement est située au début du 19ème siècle. - Avec les premières réalisations de la télégraphie et de l’éclairage débute une troisième période correspondant à l’utilisation d’une grande variété de matériaux isolants, élaborés sur la base de produits naturels, végétaux ou minéraux. La production des isolants synthétiques a démarré avec le développement de la chimie autour du charbon. 1 PARTIE I: MATERIAUX DIELECTRTIQUES Actuellement les dérivés du pétrole s’imposent techniquement et économiquement, sans toutefois avoir réussi à éliminer quelques produits naturels très performants. I.2 Définitions - On appelle isolement d’un ouvrage, appareil électrique, son aptitude à supporter les contraintes électriques appliquées à celui-ci (U, E, …). - On appelle isolation l’élément matériel ou l’ensemble des dispositifs constructifs assurant cet isolement. - On appelle isolation autorégénératrice toute isolation pouvant être remise sous tension immédiatement après claquage ou contournement qu’elle a subi sans dommage (air, ligne de fuite le long des isolateurs, …). - On appelle isolation non autoregénératrice toute isolation nécessitant une intervention qui immobilise plus ou moins longtemps l’appareil touché, lequel peut-être mis définitivement hors usage (huile, papier dans l’huile, SF6 (hexafluorure de soufre), …). Un isolant électrique est une substance ou un corps dont la conductivité électrique est très faible ou la résistivité supérieure à 1010 .cm. La conduction électrique dans les isolants peut-être expliquée par le modèle des bandes d’énergie (Fig. I. 1). Fig. I.1: Modèle de bandes d’énergie a) Conducteur (W  0,1 eV), b) Semi-conducteur (W  1 eV), c) Isolant (5 eV  W  10 eV) B.C: Bande de conduction; B.V: Bande de valence; Z.I: Zone interstitielle ou interdite Les conducteurs sont caractérisés par une bande de valence partiellement ou totalement occupée formant une intersection avec la bande de conduction vide (Fig. I. 1a). Par contre les semi- conducteurs et les isolants possèdent une zone interstitielle (différence d’énergie W) plus ou moins grande séparant les bandes de valence pleines des bandes de conduction vides (Fig. I. 1b, 1c). La RB/Université A. MIRA de Béjaia/Faculté de Technologie/Département Génie Electrique 2 Année universitaire 2022 PARTIE I: MATERIAUX DIELECTRTIQUES taille de cette zone permet de différencier les semi-conducteurs (W  1 eV) des isolants (5 eV  W  10 eV). L’irrégularité dans la structure des isolants due à la présence de particules étrangères (impuretés) ou défauts de fabrication favorise le passage aux électrons de la bande de valence à la bande conduction (W devient petit). I.3 Propriétés électriques des isolants Les caractéristiques électriques essentielles des matériaux isolants sont: * Permittivité relative r; * Facteur de pertes diélectriques tg; * Rigidité diélectrique Ed; * Résistivité électrique ; * Décharge disruptive ou claquage UC I.3.1 Permittivité (Publication CEI 250) Lorsqu’un diélectrique est soumis à l’action d’un champ électrique, il se produit à l’échelle moléculaire diverses modifications qui ont pour effet de créer un champ électrique propre Ep à l’intérieur de la substance, s’opposant au champ électrique extérieur appliqué (Fig. I.2). Cette caractéristique des isolants solides et liquides porte le nom de la permittivité relative r. Fig. I. 2: Champ électrique propre à l’intérieur d’un matériau isolant sous tension La permittivité relative d’un diélectrique parfait est le quotient de la capacité Cx entre deux électrodes supposées noyées dans ce diélectrique, par la capacité C0 de la configuration d’électrodes dans le vide: r = Cx / C0 (1) La permittivité absolue a est le produit de la permittivité relative par la constant électrique du vide. a = r.0 (2) 0 = 10 -9 / 36  = 8,85. 10-12 F/m 3 Année universitaire 2022 Année universitaire 2022 PARTIE I: MATERIAUX DIELECTRTIQUES Dans le cas des diélectriques non parfaits, on définit de façon analogue une permittivité complexe relative qui tient compte de la dissipation d’énergie dans le diélectrique. Elle s’écrit : * r = r - jr  (3) 0ù r est la partie réelle de la permittivité complexe, jouant le même rôle que r dans le cas des diélectriques parfaits. * a = * r.0 (4) I.3.2 Angle de pertes et facteur de dissipation Tout isolant soumis à un champ électrique alternatif est traversé par des courants de conduction et d’absorption qui donnent lieu à des pertes diélectriques. Le diélectrique réel peut être représenté par les schémas équivalents suivants (Fig. I. 3a, 3b). Le courant total traversant l’ensemble du circuit est déphasé en avance sur la tension d’un angle   /2. Son complément  est appelé angle de pertes. La tangente de cet angle est appelée facteur de dissipation (ou de pertes) et s’obtient de la façon suivante: tg = Ia / Ir = Ua / Ur = Pa / Pr (5) D’après la formule 3 ou la figure I. 3c, on peut écrire: tg =  r/r (6) En tenant compte de la conduction , tg prend la forme suivante:   (7) Avec = 2f (f fréquence de la source). Fig. I. 3a: Circuit électrique équivalent série, Fig. I. 3b: Circuit électrique équivalent parallèle 4 PARTIE I: MATERIAUX DIELECTRTIQUES Fig. I. 3c: Diagramme de Fresnel Le produit r = r.tg est dénommé indice de pertes, car il caractérise l’énergie dissipée dans le diélectrique. I.3.2.1 Application Déterminer le facteur de dissipation dans les deux cas de la figure I. 3c Exprimer Cs et Rs en fonction de Cp, Rp et tg. Calculer les pertes dans les deux cas de figure. Solution - Rs et Cs sont en série: tg = CsRs. - Rp et Cp sont en parallèle: tg = 1/RpCp. - Rs = RP tg2 / (1+tgtg2), Cs = Cp(1+tg tg2). - Rp et Cp sont en parallèle: Pa = U2/Rp = U2Cptg. - Rs et Cs sont en série: Pa = U2Cs tg/(1+tgtg2) I.3.2.2 Détermination de la permittivité complexe La détermination de la permittivité complexe d’un isolant s’effectue en réalisant un condensateur dont le diélectrique est constitué par un matériau en essai, puis en mesurant la capacité Cx et le facteur de dissipation tg du condensateur ainsi formé. Des valeurs de Cx et de tg, on en déduit les composantes de la permittivité complexe par les relations suivantes: r = Cx/C0, r = r.tg  (8) D’après l’équation 8, la détermination de la permittivité réelle, nécessite la connaissance de la capacité à vide C0. On peut subdiviser les méthodes de mesure de la permittivité en deux familles suivant le choix fait pour le mode de détermination de C0: 5 PARTIE I: MATERIAUX DIELECTRTIQUES - Dans la première famille, les électrodes sont attenux éprouvettes (échantillons), leur géométrie est bien définie et la détermination de C0 s’effectue par le calcul; - Dans la seconde famille, les électrodes sont massives et deux mesures successives sont effectuées, la première en insérant l’éprouvette entre les électrodes, la seconde après l’avoir ôtée. De ces deux mesures, on déduit directement le rapport Cx/C0. I.3.2.3 Méthodes électriques de mesure de Cx et tg La mesure de Cx et tg peut être effectuée par la méthode de pont dans la gamme des fréquences les plus basses (0,01 Hz à 10 MHz). Deux principaux types de pont sont utilisés. - Les ponts de type Schering (Fig. I. 4) dans lesquels deux bras sont capacitifs (l’un d’eux est constitué par le condensateur éprouvette), les deux autres étant résistants. Ce pont est caractérisé par le fait que l’impédance Z1 (Z2) est très grande devant Z3 (Z4) de telle sorte uploads/Ingenierie_Lourd/ partie-1-materiaux-dielectriques.pdf