Polarisation électrique

II.2.3.1 Définition

A l’échelle microscopique, la polarisation est liée à l’induction des moments dipolaires ou à l’orientation des moments dipolaires spontanés (ou permanents). Afin de décrire la polarisation électrique, on introduit un vecteur polarisation électrique P

[C/m²] : dp P dV    où dp

[Cm] est le moment dipolaire de l’élément de volume dV. Dans ce cas, on peut aussi écrire le déplacement électriqueD

avec la relation suivante :

0

D^  E^P^ (II. 1)

Les propriétés diélectriques des matériaux linéaires et isotropes ne varient ni en fonction de l’amplitude ni en fonction de la direction du champ électrique. Dans ces conditions, le vecteur polarisation et le champ électrique sont liés par la relation :

0

P^  E^ (II. 2)

où  est la susceptibilité électrique (sans dimension) qui caractérise la polarisation créée par un champ électrique. Avec les Eqs. II. 1 et D^E^, on peut relier  et la permittivité diélectrique  :

 

0 1

    (II. 3)

II.2.3.2 Origine des différents mécanismes de polarisation

Dans un diélectrique, l’effet d’un champ électrique externe peut faire déplacer les charges liées sur des courtes distances. Ce déplacement contribue à la conduction du courant électrique et dépend de la fréquence du champ électrique appliqué. Cela est dû au fait que les charges liées ont d’autant plus de mal à suivre les variations du champ électrique que ces variations sont rapides. Ainsi les charges de petite masse peuvent être complètement polarisée jusqu’à des fréquences élevées, tandis que les charges de masse importante ne restent polarisées qu’aux basses fréquences.

Ainsi selon les différents types de charges mis en jeu dans le matériau étudié, on peut voir apparaître des variations de la polarisation totale en fonction de la fréquence du champ électrique appliqué. Chaque processus de polarisation génère une constante de temps de relaxation différente correspondant à la durée de la transition entre l’état polarisé et l’état relaxé de la charge en question.

Dans les matériaux linéaires et isotropes, les principaux mécanismes de polarisation observés sont (cf. Figure II-2) :

(i) La polarisation électrique (ii) La polarisation ionique (iii) La polarisation d’orientation (iv) La polarisation interfaciale

Figure II-2 Illustration schématique des différents mécanismes de polarisation [1].

II.2.3.2.1 La polarisation électrique

L’atome est constitué d’un noyau électriquement positif situé au centre et entouré d’une nuée d’électrons en orbite électriquement négatifs. A chaque instant, les électrons et le noyau d’atome forment un dipôle. En moyenne et en absence de champ électrique externe, le centre du nuage sphérique formé par les électrons coïncide avec le noyau et la moyenne du moment dipolaire est nulle. Par contre lorsqu’un champ électrique externe est appliqué, le nuage d’électrons se déplace. Il en résulte un léger décalage entre le centre électrique positif (noyau d’atome) et négatif (nuage d’électron), et un moment dipolaire apparaît (cf Figure II-2 « Electronique »). Si le champ électrique appliqué reste assez faible la valeur du moment dipolaire est proportionnelle au champ électrique E (régime linéaire). Le rapport de la masse sur la charge des électrons est très faible et les électrons peuvent être polarisés ou se relaxer sur une durée extrêmement courte (le temps de relaxation) de l’ordre de 10-15

matériaux possèdent des atomes, cette polarisation existe dans tous les matériaux.

II.2.3.2.2 La polarisation ionique

La polarisation ionique se trouve essentiellement dans les cristaux ioniques. Lorsqu’ils sont plongés dans un champ électrique, les ions de signes opposés s’écartent légèrement de leur position d’équilibre et forment des dipôles (cf Figure II-2 « ionique »). Cette polarisation dépend de la nature des atomes de la maille cristalline et de leurs interactions. Le rapport masse sur charge des atomes ionisés est bien supérieure à celui des électrons, et le temps de relaxation de l’ordre de 10-12

s est supérieur à celui de la polarisation électronique. Les vibrations thermiques favorisent le déplacement des ions, ce qui entraîne une légère croissance de la polarisation ionique avec la température.

II.2.3.2.3 La polarisation d’orientation

Ce type de polarisation est différent de celui créé par le déplacement des électrons ou des atomes. Dans la plupart des matériaux, les molécules possèdent un moment dipolaire permanent (ex. Eau : H2O cf. Figure II-3). En l’absence de champ électrique, l’orientation des molécules est aléatoire avec une probabilité égale, et en moyenne l’ensemble des matériaux ne présente pas de polarisation macroscopique. Par contre, en présence d’un champ électrique, les moments dipolaires ont tendance à s’aligner et à produire une somme des moments non nulle (cf Figure II-2 « Par orientation »). Cette polarisation peut se manifester jusqu’à une fréquence de 10⁶ Hz en raison du moment d’inertie des molécules lourdes. L’agitation thermique tend à s’opposer à ce phénomène et on peut constater une diminution de la polarisation d’orientation lorsque la température augmente.

Figure II-3 Structure de la molécule d’eau H₂O et son dipôle permanent.

II.2.3.2.4 La polarisation interfaciale

La polarisation interfaciale est aussi appelée polarisation de charge d’espace. Cet effet d’interface est aussi connu sous le nom d’effet Maxwell-Wagner. Sous l’effet du champ électrique externe, les porteurs de charges migrent et se trouvent piégés, ou limités dans leurs mouvements par des surfaces discontinues qui séparent les régions homogènes dans le milieu diélectrique. Cela crée une accumulation locale de charges sur ces surfaces et induit une distorsion macroscopique du champ total. Les charges se concentrent autour des impuretés, lacunes ou joints de grains (cf Figure II-2 « Par orientation »). Les milieux hétérogènes (il peut s’agir de deux matériaux solides, mais aussi un composite constitué par un solide et un liquide, ou même un matériau seul peut être concerné à condition que sa structure soit hétérogène) peuvent présenter de fortes polarisations dues à ces effets d’interface. Si on prend l’exemple des composites de polymère conducteur dans une matrice polymère isolante, sous l’action d’un champ électrique externe, les porteurs de charge se déplacent dans la direction du champ et s’accumulent aux interfaces conducteur/isolant où ils restent bloqués.

permittivité en fonction de la fréquence. Dans un souci de clarté, ces polarisations sont présentées distinctement et clairement séparables, mais en réalité les pics peuvent être plus larges et se recouper en fonction de la nature des éléments polarisés. A basse fréquence, tous les processus de polarisation sont présents, puisque toutes les charges liées, même les plus lourdes, peuvent suivre les variations du champ. Une réduction de ' a lieu à chaque fréquence de relaxation, car les processus contribuant à la polarisation globale disparaissent les uns après les autres lorsqu’ils ne sont plus capables de suivre le champ alternatif.

10⁰ 10² 10⁴ 10⁶ 10⁸ 10¹⁰ 10¹² 10¹⁴ 10¹⁶

10^-2

Figure II-4 Mécanismes de polarisation [2].