Nom donné à tous les isolants lorsqu’on envisage leur faculté, non pas de s’opposer au passage du courant continu, mais de transmettre l’influence électrostatique.

Certains milieux relativement conducteurs peuvent jouer ce rôle à condition que le courant de « déplacement » soit notable par rapport au courant de « conduction ». Pour cela, il faut que la fréquence la plus basse du phénomène envisagé soit supérieure à γ/ε (ε étant la permittivité et γ la conductivité).

Les propriétés diélectriques d’un milieu se manifestent de façon simple lorsqu’il remplace le vide (ou l’air) dans un condensateur sous tension continue. La capacité est multipliée par un facteur caractéristique, la constante diélectrique K, toujours supérieure à l’unité. La densité de charge σ sur les armatures, au lieu d’être ε₀E, E étant le champ, devient Kε₀E ; ε = Kε₀ est appelé permittivité statique. Cette augmentation de la densité à champ égal est due à ce que la surface du diélectrique porte une densité antagoniste σ′ qui provoque une compensation partielle, et σ + σ′ = σ/K. En effet, le champ tend à entraîner les noyaux atomiques dans un sens, les électrons dans l’autre. En raison du caractère isolant du milieu, ces déplacements restent limités, mais une face de la lame diélectrique est privée d’électrons et devient positive, et l’autre négative (« polarisation »). Cette polarisation est mesurée par le moment dipolaire de l’unité de volume. C’est un vecteur. Pour un condensateur plan, P = σ′.

La polarisation peut être due : 1^o à la déformation des orbitales électroniques par le champ ; 2^o au déplacement en bloc d’ions ; 3^o à l’orientation de dipôles moléculaires. Il existe deux autres causes qui n’opèrent que dans certains milieux cristallins : les déformations mécaniques (piézo-électricité) et les changements de température (pyro-électricité).

Dans tous les cas, la polarisation réagit positivement sur elle-même, un atome ou molécule étant influencé non seulement par le champ, mais aussi par ses voisins polarisés, qui le renforcent. On dit que l’atome est soumis à un « champ effectif » E_eff > E. Dans les 1^er et 2^e cas, une valeur assez bonne de E_eff est E + P/3ε₀. Pour le 3^e cas, cette expression est erronée, et on préfère E_eff = 3KE/2K + 1. On appelle polarisabilité α d’un atome ou d’une molécule le quotient étant sa contribution à P, et P = E_effΣN_iα_i, N_i étant le nombre d’éléments par unité de volume ayant la polarisabilité α_i. Si E_eff = E + P/3ε₀,

La 1^re cause est universelle. Quand elle est seule, elle donne à un diélectrique dense (solide ou liquide) un K compris entre 2 et 4. Comme il s’agit de déplacements électroniques, le temps d’établissement de cette polarisation est très court, 10^–15 s environ, la période des vibrations lumineuses. C’est le cas des carbures d’hydrogène (huile, polyéthylène, polypropylène), dont les propriétés diélectriques restent inchangées jusqu’aux fréquences radio-électriques les plus élevées.

La 2^e cause s’ajoute à la précédente, mais dépend beaucoup de la structure. Elle peut donner (ΣN_iα_i)/3ε₀ voisin de 1, et un K de 10 à 100. Dans certains milieux (titanates alcalino-terreux par exemple), K devient très grand (1 000 à 100 000) lorsque la température T s’approche d’une valeur critique T_c. Cette température franchie, le milieu est polarisé (polarisation permanente) sans qu’un champ E intervienne. C’est l’état ferro-électrique, qui présente toujours des propriétés piézo- et pyro-électriques marquées.

Les ions ayant plus d’inertie que les électrons, leur déplacement exige au moins 10^–12 à 10^–13 s (période des vibrations infrarouges). Lorsqu’ils se déplacent dans un milieu hétérogène (isolants industriels), le phénomène peut être très long (effet Maxwell-Wagner), et K diminue déjà pour des fréquences très basses (< 50 Hz). La 3^e cause conduit à un K de 5 à 100, mais est souvent contrariée par l’agitation thermique, de sorte que dK/dT < 0. Cependant, lorsque les dipôles sont bloqués dans un solide en raison de la structure, ils peuvent être libérés par l’agitation thermique, et dK/dT > 0 (cellulose). Enfin, lorsque les dipôles tendent à s’associer par liaison hydrogène dans un liquide, K est grand (eau, alcools) parce que cela favorise leur orientation par le champ. Le temps d’établissement de la polarisation d’orientation dépend d’une sorte de viscosité et non plus d’inertie. Il ne peut être inférieur à 10^–11 s et atteint des valeurs élevées (10^–2 s et plus) dans les milieux très visqueux. Il en résulte encore une variation importante de K avec la fréquence. Tous les diélectriques donnent lieu à une dissipation d’énergie lorsque la fréquence n’est pas nulle (en laissant de côté leur conductivité). L’angle de perte est l’écart au déphasage 90° qui caractériserait un condensateur sans pertes. Il doit être très petit pour les applications en haute fréquence, car le dégagement de chaleur conduirait facilement à la destruction par instabilité thermique. Les pertes apparaissent aux fréquences pour lesquelles K varie, d’où la préférence donnée aux matériaux de K constant (polarisation seulement électronique) pour certaines applications (polyéthylène en U. H. F.).

N. F.

 A. R. von Hippel (sous la dir. de), Dielectric Materials and Applications (Cambridge, Mass., 1954 ; trad. fr. les Diélectriques et leurs applications, Dunod, 1960). / J. C. Anderson, Dielectrics (New York, 1964 ; nouv. éd., 1968 ; trad. fr. Diélectriques, Dunod, 1966). / L. Eyraud, Diélectriques solides anisotropes et ferro-électricité (Gauthier-Villars, 1968).