Polarisation électrique | Définition, diélectriques et mécanismes

Polarisation Électrique

La polarisation électrique désigne le déplacement relatif léger des charges électriques positives et négatives dans des directions opposées au sein des atomes ou des molécules d’un isolant, ou diélectrique, induit par un champ électrique externe. Cette polarisation du diélectrique par le champ électrique appliqué augmente la charge de surface du condensateur pour une intensité de champ électrique donnée.

L’application d’un champ électrique entre deux plaques induit une charge opposée sur le diélectrique, qui s’oppose au champ électrique appliqué. Le résultat net est que le champ électrique à l’intérieur du diélectrique (qui remplit l’espace entre les plaques) est réduit, permettant au condensateur de stocker plus de charge. Il existe trois types de polarisation : polarisation électronique, polarisation orientationnelle et polarisation ionique.

Types de Polarisation

• Polarisation Électronique : Lorsqu’un champ externe est appliqué, les nuages d’électrons des atomes sont déplacés par rapport aux noyaux lourds à l’intérieur de ces atomes. Cela est connu sous le nom de polarisation électronique.
• Polarisation Orientationale : La polarisation orientationale est inhérente ou peut être induite dans toute molécule où la distorsion asymétrique des noyaux est possible. Les molécules polaires, comme H₂O, sont un exemple typique. En absence de champ électrique, le moment dipolaire électrique de ces molécules se déplace dans une direction imprévisible. Lorsqu’un champ électrique externe est appliqué, les molécules s’alignent dans la même direction que le champ.
• Polarisation Ionique : La polarisation ionique est causée par des déplacements relatifs entre ions positifs et négatifs dans des cristaux ioniques (par exemple, NaCl).

Constante Diélectrique

Expérimentalement, on a découvert que la capacité C augmente lorsque l’espace entre les conducteurs est rempli de diélectriques. La constante diélectrique d’un isolant mesure la capacité de l’isolant ou du diélectrique à stocker de l’énergie électrique dans un champ électrique. La constante diélectrique, dénotée par κ (kappa), est la même quantité que la permittivité relative, notée ε_r. Bien que toujours utilisée, la constante diélectrique est dépréciée par les organisations de normalisation en ingénierie.

La constante diélectrique du vide est unitaire par définition. Comme l’air est principalement un espace vide, sa constante diélectrique mesurée est seulement légèrement supérieure à l’unité. Même le papier commun peut augmenter significativement la capacité d’un condensateur, et certains matériaux, comme le titanate de strontium, peuvent augmenter la capacité de plus de deux ordres de grandeur.

Dans une région entièrement remplie d’un matériau diélectrique de constante diélectrique κ_e, toutes les équations électrostatiques contenant la constante de permittivité ε₀ doivent être modifiées en remplaçant ε₀ par κ_eε₀. Plus la constante diélectrique est élevée, plus la quantité de charge pouvant être maintenue est importante. La capacité d’un condensateur est augmentée d’un facteur de la constante diélectrique lorsque l’écart entre les plaques est entièrement rempli d’un diélectrique. C = ε_rC₀ = κ_eC₀, où C₀ est la capacité entre les plaques sans diélectrique.