Un diélectrique est un isolant qui sépare les deux plaques ou feuilles conductrices d'un condensateur. Les isolants sont des matériaux qui ne conduisent pas le courant électrique, comme le plastique, le verre, le papier ou le bois. Le rôle du diélectrique est d'augmenter la capacité du condensateur, lui permettant ainsi de stocker davantage de charge électrique et d'énergie potentielle électrique.
Un condensateur fonctionne si ses deux armatures conductrices ne se touchent pas, empêchant ainsi le passage de la charge électrique d'une armature à l'autre. De même, pour que la charge électrique ne se déplace pas de l'armature vers l'air, l'espace entre les deux armatures doit être sous vide. Dans le chapitre consacré aux condensateurs plans, nous avons abordé la capacité de ces condensateurs lorsque leurs armatures sont séparées par le vide. La capacité d'un condensateur dans le vide est limitée ; pour l'augmenter, on interpose un diélectrique entre les deux armatures.
Le diélectrique augmente la capacité car le potentiel électrique entre les deux plaques conductrices diminue.
Pourquoi la capacité d'un condensateur augmente-t-elle après l'insertion d'un diélectrique entre ses deux plaques ? Pour répondre à cette question, rappelons-nous d'abord les notions de charge électrique. Les charges électriques de même signe se repoussent, tandis que les charges de signes opposés s'attirent. Par exemple, une charge positive attire une charge négative mais repousse une charge positive. Alors, pourquoi des plastiques chargés négativement attirent-ils de petits morceaux de papier non chargés électriquement ? Cela s'explique par la polarisation électrique du papier.
Dans les matériaux isolants comme le papier, les électrons ne peuvent pas se déplacer aussi librement que dans les matériaux conducteurs. Ainsi, lorsqu'on approche un morceau de plastique chargé négativement d'une feuille de papier, les électrons liés aux atomes du plastique sont repoussés. Il en résulte une polarisation des charges, négatives et positives, sur le papier. La charge négative du papier est plus éloignée du plastique, tandis que sa charge positive est plus proche. Par conséquent, la charge négative du plastique attire la charge positive du papier, ce qui rapproche ce dernier du plastique.
Le processus de polarisation des charges sur des feuilles de papier est similaire à celui qui se produit dans un diélectrique. Comme illustré sur la figure de gauche, initialement, il n'y a que deux conducteurs chargés électriquement. La plaque de gauche est chargée positivement, tandis que celle de droite est chargée négativement ; le champ électrique s'étend donc de gauche à droite.
Une fois le diélectrique placé entre les deux plaques conductrices, la charge positive de la plaque de gauche attire les électrons de la surface du diélectrique adjacente. De même, la charge négative de la plaque de droite repousse ces électrons. Les électrons du diélectrique, qui est un isolant, ne peuvent se déplacer librement comme ceux d'un conducteur. Ils restent donc liés aux atomes, mais il se crée une polarisation entre les électrons (chargés négativement) et les protons (chargés positivement), comme illustré sur la figure.
La présence d'une charge positive sur la face droite des atomes du diélectrique et d'une charge négative sur leur face gauche génère un champ électrique. Ce champ, orienté de droite à gauche, atténue le champ électrique induit par la charge électrique sur la plaque conductrice, orientée de gauche à droite. Ainsi, la diminution du champ électrique n'est pas due à une diminution de la charge électrique sur les deux plaques conductrices, mais à l'apparition d'un champ électrique de sens opposé dans le diélectrique. Lorsque le diélectrique est retiré, l'intensité du champ électrique induit par la charge électrique sur les deux plaques conductrices retrouve sa valeur initiale.
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Lorsque l'intensité du champ électrique généré par les charges électriques sur les deux plaques conductrices diminue, le potentiel électrique entre ces deux plaques diminue également. En effet, le champ électrique est directement proportionnel au potentiel électrique, comme l'indique l'équation E = V / d, où E représente le champ électrique, V le potentiel électrique et d la distance entre les deux plaques. Si le potentiel électrique initial par rapport au diélectrique est Vo, après passage dans le diélectrique, ce potentiel est réduit à V par un facteur K.
Mathématiquement, Vo = KV ou V = Vo / K ou K = Vo / V, où K = constante diélectrique. Vo > V donc K > 1.
Veuillez noter que la quantité de charge électrique sur les deux plaques ou feuilles conductrices reste constante, de sorte que la charge finale est égale à la charge initiale (Q = Q₀). La variation de capacité du condensateur se calcule comme suit :
C = capacité finale, C₀ = capacité initiale, Q = charge finale, Q₀ = charge initiale, V = potentiel final, V₀ = potentiel initial, K = constante diélectrique
D'après l'équation ci-dessus, la capacité initiale (C₀) est plus faible tandis que la capacité finale (C) est plus élevée. La capacité augmente d'un facteur K, où K est la constante diélectrique. La valeur de la constante diélectrique varie selon le matériau isolant. La constante diélectrique (K) est le rapport entre la capacité du condensateur avec diélectrique et sa capacité sans diélectrique.
La capacité diélectrique augmente car la distance entre les deux plaques conductrices diminue.
Une autre fonction diélectrique consiste à réduire la distance (d) entre les deux plaques conductrices. Ainsi, le champ électrique (E) et la tension électrique (V) entre les deux plaques ou feuilles conductrices augmentent, comme l'indique l'équation E = V / d. Si le champ électrique et la tension électrique entre les deux plaques ou feuilles augmentent, alors la capacité du condensateur augmente également.
Si les condensateurs en question sont en parallèle, la capacité est calculée à l'aide de la formule suivante :
Sur la base des deux formules ci-dessus, on peut conclure que la capacité (C) des condensateurs à plaques parallèles peut être augmentée en réduisant la distance entre les deux plaques ou feuilles conductrices (d).
La capacité diélectrique augmente car la capacité du condensateur augmente.
Le diélectrique est constitué d'un matériau isolant qui, placé dans un champ électrique intense, se détériore. Ce phénomène se produit lorsque le champ électrique est si fort qu'il arrache des électrons aux atomes. Ces électrons percutent ensuite ceux d'autres atomes, créant ainsi un courant électrique au sein du diélectrique. Autrement dit, le diélectrique, initialement isolant, devient conducteur.
Pour éviter tout dommage, chaque diélectrique, constitué d'un matériau isolant donné, possède une valeur maximale de champ électrique qu'il peut supporter, appelée rigidité diélectrique. La rigidité diélectrique du matériau isolant est supérieure à celle de l'air et varie selon les matériaux isolants ; certaines sont faibles, d'autres élevées. Ainsi, un diélectrique à rigidité diélectrique élevée permet de supporter un champ électrique et une tension plus importants. Plus le champ électrique et la tension électrique générés par les deux plaques ou feuilles du conducteur sont élevés, plus la quantité de charge électrique pouvant être stockée par la plaque conductrice est importante. Plus la quantité de charge à l'intérieur de la plaque conductrice est importante, plus la capacité du condensateur est grande.
