Voir la source de Rigidité diélectrique

{{Infobox Grandeur physique
| nom            = '''Rigidité diélectrique'''
| image          = 
| légende        = 
| unités         = V/m
| autres unités  = kV/mm, MV/m
| symbole        = {{math|''E''{{ind|c}}}}
| unités de base = V/m
| dimension      = 
| extensive      = non
| intensive      = oui
| conservative   = 
| nature         = '''scalaire'''
| expressions    = :<math>E=\frac{U}{d}</math>
| conjuguée      = 
| complémentaire = 
}}
Le module du [[champ électrique]] nécessaire pour chaque un diélectrique est appelé rigidité diélectrique. 

Chaque diélectrique possed   sa rigidité selon les essais deja  fait dans le laboratoire ce qui perme à e value son épaisseur lorsque il fait séparer deux armature d'un champ donnée   

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. 

== Définition ==

[[Fichier:Electrical breakdown.ogv|vignette|Vidéo montrant le claquage dans l'air, [[Université d'Ariel]]]]

En pratique, La '''rigidité diélectrique''' est définie par le rapport entre la tension maximale sans '''claquage''' et la distance qui sépare les [[électrode]]s entre lesquelles est appliquée cette tension <ref name=":5">{{Article |langue=fr |auteur1=Claude MENGUY |titre=Mesure des caractéristiques des matériaux isolants solides |sous-titre=Rigidité diélectrique des isolants solides |nature article=ARTICLE DE RÉFÉRENCE |périodique=Techniques de l'ingénieur |date=10 août 1997 |lire en ligne= |résumé=https://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/materiaux-th11/materiaux-a-proprietes-electriques-et-optiques-42375210/mesure-des-caracteristiques-des-materiaux-isolants-solides-d2310/rigidite-dielectrique-des-isolants-solides-d2310niv10002.html |pages= }}</ref>{{,}}<ref name=":0">{{Article |auteur1=Jean-Marc BUREAU |titre=Propriétés diélectriques des polymères |sous-titre=Rigidité diélectrique |nature article=ARTICLE DE RÉFÉRENCE |périodique=Techniques de l'ingénieurs |date=10 févr. 2016 |lire en ligne= |résumé=https://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/electronique-photonique-th13/materiaux-pour-l-electronique-et-dispositifs-associes-42271210/proprietes-dielectriques-des-polymeres-e1850/rigidite-dielectrique-e1850v4niv10003.html |pages= }}</ref>. On peut ainsi écrire<ref name=":2">{{Lien web |langue=Fr |auteur=Mme. AZZI Nadia |titre=Effet du vieillissement thermique sur la rigidité diélectrique du polymétharylate de méthyle |url=https://sociale.ummto.dz/bitstream/handle/ummto/1551/Azzi%20Nadia.pdf?sequence=1&isAllowed=y |site=sociale.ummto.dz |date=04 juillet 2017 |consulté le=18 novembre 2020 |page=41 |nature document=Thèse de Magister}}.</ref> : 

<center><math>E_{c}=\frac{U}{d}</math>
</center>

Avec :

U : [[tension de claquage]] donnée (kV)

d : Distance entre les électrodes (mm)

{{math|''E''{{ind|c}}}} (V/m) : rigidité diélectrique (elle s’exprime en V/m ou plus couramment en kV/mm ou MV/m).


Si la tension appliquée entre les deux électrodes est supérieure à la '''rigidité diélectrique''', l'isolant ne devient plus isolant et un [[courant]] s’établit entre les deux électrodes sous forme d'un '''arc électrique''', on parle alors de '''claquage'''. Lorsqu’un claquage se produit dans un [[matériau]] ou dans une installation, ses propriétés physiques peuvent être modifiées de façon réversible ou irréversible<ref>{{Lien web |auteur=Pr. Welter |titre=Matériaux Diélectriques |url=http://www-chimie.u-strasbg.fr/~decomet/data/cours/dielect_1.pdf |site=www-chimie.u-strasbg.fr |éditeur=Institut Le Bel, 9e étage nord |date= |consulté le=20/11/2020}}.</ref>.
Par exemple, Pour un [[Condensateur (électricité)|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<ref>{{Article |langue=français |auteur1=Serge VACQUIÉ |titre=Arc électrique |périodique=techniques de l'ingénieur |date=10 mars 1986 |lire en ligne= |résumé=https://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/archives-th12/archives-convertisseurs-et-machines-electriques-tiadb/archive-2/arc-electrique-d324/ |pages=22 }}</ref>.

== Facteurs influençant la valeur de la rigidité diélectrique ==
[[File:Rigidite dielectrique polymeres temperature.svg|thumb|right|Évolution de la rigidité diélectrique (champ électrique disruptif) en fonction de la température pour quelques polymères.]]
Pour un matériau donné, la rigidité diélectrique dépend de plusieurs facteurs ou paramètres. On peut séparer les facteurs influant sur la rigidité diélectrique en deux groupes : des '''facteurs liés à la technique ou la méthode de mesure''', et des '''facteurs liés à la fabrication du matériau'''. 

* Facteurs '''liés à la méthode de mesure''' <ref name=":3">{{Article |auteur1=LABROSSE, Michel |titre=Plastiques et composites |sous-titre=Plastiques. Essais normalisés : Essais électriques |périodique=Techniques de l'ingénieurs |date=1997 |issn=1762-8776 |lire en ligne= |pages= }}</ref>:  
** '''Formes de la tension''' <ref name=":0" />{{,}}<ref name=":3" />{{,}}<ref name=":1">{{Lien web |langue=fr |auteur=Pierre Zweiacker |titre=Rigidité diélectrique |url=http://surprises.ch/HT/annexes/17.pdf |site=surprises.ch |date= |consulté le=20/11/2020}}.</ref> : continue, alternative, ou de choc, etc.
** '''Géométrie d’électrodes''' <ref name=":0" />{{,}}<ref name=":3" /> : la géométrie des électrodes influe sur la distribution de champs électriques dans l'espace (champs non-homogènes) ce qui provoque des décharges locales, là où le champ est le plus intense.
** '''Distance inter-électrodes''' <ref name=":0" />{{,}}<ref name=":3" />{{,}}<ref name=":1" /> : en général la variation de la rigidité diélectrique n'est pas linéaire en fonction de la distance.
** '''Polarité de la tension''' <ref name=":0" />{{,}}<ref name=":1" /> 
** '''Conditions atmosphériques de la mesure''' : Température<ref>{{Article |langue=français |auteur1=Jean-Michel DECROUEN |auteur2=Jean-Claude BÉDIER |titre=Contraintes climatiques. Contraintes chimiques |périodique=Techniques de l'ingénieur |date=décembre 1995 |lire en ligne= |pages=3 }}</ref>{{,}}<ref name=":0" />{{,}}<ref name=":1" /> , Pression<ref name=":0" />{{,}}<ref name=":1" /> et Humidité.
* Facteurs '''liés à la fabrication du matériau''' (intrinsèque à l'échantillon mesuré):   
** '''La présence de bulles''' <ref name=":1" /> : des bulles d'air ou d'eau peuvent être présentes dans les isolants liquides ou polymères.
** '''La présence d'impuretés''' <ref name=":0" />
** '''L’absorption d’eau''' dans les plastiques fait baisser la valeur de la rigidité diélectrique <ref>{{Article |auteur1=Jacques VERDU |titre=Action de l’eau sur les plastiques |nature article=ARTICLE DE RÉFÉRENCE |périodique=Techniques de l'ingénieur |date=10 janv. 2000 |lire en ligne= |résumé=https://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/materiaux-th11/proprietes-generales-des-plastiques-42152210/action-de-l-eau-sur-les-plastiques-am3165/ |pages= }}</ref> .
**'''Le vieillissement thermique''' <ref name=":2" /> ''':''' un isolant est souvent soumis à une variation de température au cours de son fonctionnement, cette variation de température entraine un vieillissement thermique qui fait varier la valeur de la rigidité diélectrique.

== Mesure de la rigidité diélectrique ==
{{article détaillé|Essai diélectrique}}
La rigidité diélectrique des isolants liquides et solides est mesurée par l'application d'une tension croissante sur l'isolant, jusqu'au claquage du matériau. On peut détecter le claquage de manière visuelle, ou alors par une [[mesure physique]] : soit par l'observation d'une chute de tension aux bornes du matériau ou par l'observation d'une augmentation du courant qui le traverse <ref name=":4" />. Les essais peuvent être réalisés en tension alternative, en tension continue, ou en tension de choc suivant l'application industrielle à laquelle les isolants sont destinés<ref>{{Lien web |langue=FR |auteur=Aurélien Lambert |titre=Chapitre 6 Mesure en haute tension |url=https://slideplayer.fr/slide/13921852/ |date= |consulté le=26 novembre 2020 |nature document=Présentation de cours}}.</ref>. 

En matière d'essais on divise les types d'isolation diélectriques en deux catégories : celles autorégénératrices et celles non autorégénératrices. Les premières retrouvent intégralement leurs propriétés isolantes après une décharge disruptive au cours d'un essai, les autres non.

A cause des différents paramètres et facteurs qui influencent la valeur de la rigidité diélectrique, le claquage se produit souvent à des valeurs de champs électriques bien plus faibles que la valeur de rigidité diélectrique prévue par la théorie (On parle de '''rigidité diélectrique intrinsèque'''). Donc, pour des applications industrielles, on mesure une rigidité diélectrique (dites '''pratique'''), dont la valeur est largement inférieure à la valeur théorique ('''rigidité intrinsèque''')<ref name=":3" />. 

Les techniques de mesures pour déterminer cette valeur de rigidité diélectrique sont décrites dans des normes comme la [[Commission électrotechnique internationale|CEI]] 60243 pour les matériaux solides, et la norme CEI 60156 pour les isolants liquides<ref name=":5" />{{,}}<ref>{{Lien web |auteur=https://www.elandcables.com/fr |titre=Qu’est-ce que la rigidité diélectrique ? |url=https://www.elandcables.com/fr/the-cable-lab/faqs/faq-what-is-dielectric-strength#:~:text=La%20rigidit%C3%A9%20di%C3%A9lectrique%20d'un,rigidit%C3%A9%20%C3%A9lectrique%20d'un%20isolant.&text=La%20rigidit%C3%A9%20di%C3%A9lectrique%20est%20ensuite,10%20%C3%A0%2030%20kV%20%2F%20mm. |date= |consulté le=20/11/2020}}.</ref>{{,}}<ref name=":4">{{Lien web |auteur=Pierre Zweiacker |titre=Mesure de la rigidité diélectrique |url=http://surprises.ch/HT/annexes/41.pdf |site=surprises.ch |date= }}.</ref>.

=== Essais sur les isolants solides ===
Pour la mesure de la '''rigidité diélectrique''' d'un matériau '''solide''', des échantillons de l'isolant sous forme de plaques (de 3mm) sont placés entre deux électrodes. Ensuite, on applique une tension croissante aux bornes des deux électrodes. Une fois la chute de tension (ou l'augmentation du courant) observée qui indique l'apparition du claquage dans l'isolant, on refait un deuxième essai<ref>{{Lien web |auteur=Mr Ait Braham Mahdi & Mr Belkacem Marzouk |titre=Etude de la rigidité diélectrique du polyméthacrylate de méthyle soumis à un vieillissement thermique. |url=https://fsbsa.ummto.dz/bitstream/handle/ummto/8976/BELKACEMMARZOUK_AITBRAHAMMAHDI.pdf?sequence=1&isAllowed=y |site=fsbsa.ummto.dz |date=2009 |consulté le=27 novembre 2020 |nature document=Mémoire de fin d'étude}}.</ref>. 

Dans le cas où la deuxième '''tension de claquage''' est inférieure significativement à la première, alors l'objet est considéré perforé et la valeur mesurée est représentative de la '''rigidité diélectrique''' du matériau. Dans le cas contraire, il y'a eu contournement de l'échantillon et le claquage s'est effectué dans l'air, et cette mesure de claquage ne correspond pas à la '''rigidité diélectrique''' du matériau.  Pour corriger cela, deux solutions sont possibles : augmenter le diamètre de l'échantillon, ou faire la mesure dans un milieu plus isolant que l'air (dans un gaz comme le [[hexafluorure de soufre|SF6]] ou un bain d'huile isolante)<ref>{{Article |auteur1=Hanen YAHYAOUI |titre=Propriétés diélectriques d’une résine époxy chargée d'alumine sous l’effet du champ électrique continu et de la température |périodique=JCGE'2014 |date=2014-06-05 |hal=hal-01083915, version 1 |lire en ligne=https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01083915/ |pages= }}</ref>{{,}}<ref name=":4" />. 

Une fois la mesure effectuée correctement, il faut répéter l'opération 5 fois sur des échantillons identiques. La moyenne des 5 valeurs obtenues représente  la '''rigidité diélectrique''' du matériau<ref name=":3" />{{,}}<ref name=":4" />.

=== Essais sur les isolants liquides ===
[[Fichier:BA75-b2hv-Breakdown-during-transformer-oil-testing.jpg|vignette|Mesure de la rigidité électrique d'une huile minérale]]

Contrairement aux isolants solides, les isolants liquides sont des isolations '''autorégénératrices''', c'est-à-dire que le claquage ne détruit pas le matériau complètement, et donc il est possible d'effectuer plusieurs essais sur le même échantillon. Pour la mesure de la '''rigidité diélectrique''', il suffit d'immerger les deux électrodes dans l'isolant liquide. Ensuite de la même manière que pour les isolants solides, on augmente la tension jusqu'à l'apparition du claquage. Il faut cependant prendre des précautions lors de l'essai, comme éviter que l'isolant soit pollué par l'humidité de l'air ou d'autre particules qui peuvent influer sur la mesure. 

Une fois la première mesure effectuée correctement, il faut procéder à d'autres mesures sur le même échantillon. Cependant, il faut faire attention à ce que entre deux mesures, on remue le liquide isolant pour dissiper les résidus du précédent claquage, tout en évitant la formation de bulles à l'intérieur du liquide. Il faut également attendre quelques minutes entre deux essais le temps que le liquide se repose (environ 5 minutes). 

Dans le cas des isolants liquides la rigidité diélectrique est la moyenne de 6 valeurs de tensions de claquage obtenues suivant le protocole décrit ci-dessus<ref name=":4" />.

== Cas particulier d'un isolant gazeux ==
[[File:Paschen Curves.PNG|thumb|right|Courbes de Paschen obtenues pour l'hélium, le néon, l'argon, l'hydrogène et le diazote, utilisant l'expression donnant la tension de claquage en fonction du produit pression * distance.]]
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. En effet, pour un produit de pression et de distance inter-électrodes constant, la rigidité diélectrique est constante. C'est pour cela que les normes ne préconisent pas d'essais de tension<ref>{{Article |langue=français |auteur1=Pierre PICARD |titre=Essais en électricité |périodique=Techniques de l'ingénieur |date=10 juin 1994 |lire en ligne= |résumé=https://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/energies-th4/mesures-et-essais-en-electrotechnique-42247210/essais-en-electricite-d2020/ |pages=11 }}</ref>.

=== Champ disruptif de l'air ===
Comparativement, l'air est un isolant fort, mais sous de fortes tensions, les [[électron]]s 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<ref>{{Article |prénom1=F. W. |nom1=Peek |titre=The law of corona and the dielectric strength of air |périodique=Proceedings of the American Institute of Electrical Engineers |volume=30 |numéro=7 |date=1911-07 |issn=2376-7758 |doi=10.1109/PAIEE.1911.6659605 |consulté le=2021-06-29 |pages=1485–1561 }}.</ref>:

<center><math>\|\vec E_\text{disruptif}(\text{air})\| \approx 3{,}6\times 10^6\; \rm V \cdot m^{-1} \approx 36\,000\; V \cdot cm^{-1}</math>
</center>

On peut interpréter de manière très simple cette formule en disant que, dans de l'air sec, il faut une différence de potentiel de {{nobr|36 000 [[volt]]s}} pour faire une étincelle entre deux électrodes planes distantes de 1 centimètre, ou 3 600 volts pour faire une étincelle entre deux électrodes distantes de 1 millimètre. Cette interprétation est plus connue sous le nom de « règle des {{nobr|30 000 V par centimètre}} ».

L'humidité ambiante est un facteur important, l'eau étant un bien meilleur conducteur que les gaz de l'air. Pour un air saturé en humidité, le champ disruptif peut ainsi tomber à {{unité|10000 V/cm}}. Ces valeurs permettent d'estimer l'ordre de grandeur des tensions mises en jeu dans le phénomène de la [[foudre]].

=== 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 [[Polarisation (diélectrique)|polarisable]] par un champ électrique. Dans la plupart des cas, les propriétés du diélectrique sont dues à la polarisation de la substance.
* Lorsqu'un diélectrique, en l'occurrence l'air est placé dans un champ électrique, les [[électron]]s et les [[proton]]s de ses atomes se réorientent et dans certains cas, à l'échelle moléculaire, une polarisation est induite (un phénomène observé dans les [[Dipôle électrique|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 (physique)|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 ==
[[File:Cable ligne électrique RTE savoie piemont.jpg|thumb|right|Zoom sur un câble électrique de la ligne RTE Savoie Piémont.]]
On peut également parler de champ disruptif dans le cas des [[Câble électrique|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 ==

{| class="wikitable sortable"
|+'''Rigidité diélectrique de quelques [[diélectrique]]s usuels'''
|- 
!style="background:#ffdead;" ; align="center"| Matériau
!style="background:#ffdead;" ; align="center"| Rigidité diélectrique<br> (kV/mm)
|-
|Air
|align="center"|3
|-
|[[Quartz (minéral)|Quartz]]
|align="center"|8
|-
|[[Titanate de strontium]]
|align="center"|8
|-
|[[Néoprène]] 
|align="center"|12
|-
|[[Nylon]]
|align="center"|14
|-
|[[Pyrex]]
|align="center"|14
|-
|huile [[silicone]]
|align="center"|15
|-
|[[Papier]]
|align="center"|16
|-
|[[Bakelite]]
|align="center"|24
|-
|[[Polystyrène]]
|align="center"|24
|-
|Vide élevé
|align="center"|20–40<br>(dépend des électrodes)<ref>{{Site web |url=http://www.htee.tu-bs.de/forschung/veroeffentlichungen/giere2002.pdf |titre=Archived copy |consulté le=2009-12-02 |archive-url=https://web.archive.org/web/20120301112907/http://www.htee.tu-bs.de/forschung/veroeffentlichungen/giere2002.pdf |archive-date=2012-03-01 }}</ref>
|-
|[[Teflon]]
|align="center"|60
|-
|[[Mica]] 
|align="center"|150
|-
|[[Vide parfait]]
|align="center"|10<sup>12</sup><ref>{{en}} [[:en:Schwinger limit|Schwinger limit]] Conduction par effet de fluctuation quantique.</ref>
|}

== Notes et références ==

<references />

== Voir aussi ==

=== Liens externes ===

* {{article
 | url texte = http://www.mesures.com/archives/669solmesdielectriques.pdf
 | prénom1 = Michel | nom1 = Chateau
 | titre = Mesures diélectriques, ne vous laissez pas influencer
 | périodique = Mesures
 | numéro = 669
 | mois = novembre
 | année = 1994
 | pages = 57-60
}}

{{Palette Électromagnétisme}}

{{Portail|physique|électricité et électronique}}

[[Catégorie:Électrostatique]]
[[Catégorie:Propriété fonctionnelle d'un matériau]]