DIÉLECTRIQUES

Le mot « diélectrique » s'emploie en général comme adjectif, pour qualifier une substance qui peut emmagasiner de l'énergie électrostatique, c'est-à-dire une substance à laquelle on peut appliquer un champ électrique élevé et sur laquelle on peut maintenir ce champ sans apport d'énergie extérieure. Par voie de conséquence, un matériau diélectrique doit être isolant.

Toutefois, on parle souvent des propriétés diélectriques de matériaux non isolants (électrolytes, semi-conducteurs, métaux...). Il s'agit alors des propriétés liées au déphasage observé entre le champ et l'induction (ou déplacement) électriques, qui résulte du déplacement de charges et d'associations de charges (résonances, relaxations...) dans un champ sinusoïdal de faible amplitude.

Ce sont essentiellement ces propriétés qui font l'objet du présent article, à l'exclusion de toutes les propriétés des isolants soumis à des champs intenses.

Les impératifs de la miniaturisation ont réduit dans un rapport considérable le volume des éléments actifs d'un circuit, de sorte que les condensateurs, essentiellement passifs, prennent au moins autant de place que les éléments actifs. Les spécifications d'emploi ont également évolué. On cherche à utiliser des matériaux diélectriques à des températures variant entre quelques degrés absolus dans les circuits et moteurs cryotechniques, à plusieurs milliers de degrés dans les fours, les tuyères de réacteurs, les torches à plasma. Ils sont soumis à des conditions très rigoureuses (vapeurs d'eau, d'acides), à des sollicitations mécaniques statiques et dynamiques considérables, à des flux de radiation intenses au cœur des réacteurs nucléaires. On cherche à rester maître des charges statiques, qui, lors de décharges accidentelles, peuvent provoquer des catastrophes.

De plus, les isolants et les diélectriques ont cessé de jouer le rôle passif d'obstacles au passage du courant et de réservoirs d'énergie électrique. Des diélectriques en couches minces permettent d'appliquer un champ électrique énorme à la surface d'un semi-conducteur, pour en moduler la conductivité. L'idée lancée par William B. Shockley, au début des années cinquante, d'un transistor à effet de champ, est largement exploitée commercialement.

L'étude de l'injection d'un courant dans un diélectrique, sa limitation par charge d'espace et ses conséquences possibles, telles que la rectification et la résistance négative, est activement poursuivie. Il en est de même de l'émission contrôlée, par effet de champ, d'électrons « chauds » à travers une couche diélectrique très mince. Ces phénomènes pourraient déboucher dans un proche avenir sur de nouveaux composants électroniques.

Par ailleurs, les diélectriques non linéaires, tels que les ferroélectriques, les antiferroélectriques, les piézoélectriques, ont des applications de plus en plus nombreuses : mémoires et bascules électroniques, obturation ultrarapide par effet Kerr ou effet Pockels, génération et détection des vibrations mécaniques, multiplication des fréquences optiques des faisceaux de laser.

Parallèlement, les progrès de l'électronique dite classique ont amélioré considérablement les techniques d'étude des diélectriques. On sait mesurer des courants continus de 10^-17 ampère, extraire un signal d'un bruit dans lequel il est noyé, analyser des phénomènes transitoires sous haute impédance, mesurer la permittivité des corps dans une très large gamme de fréquences (de 10^-3 à 10¹¹ Hz), mesurer des facteurs de dissipation très faibles, de l'ordre de 10^-5, ce qui, dans la recherche, confère aux diélectriques une place à peu près analogue à celle des semi-conducteurs en 1945.

On ne traitera ici que des bases théoriques élémentaires permettant d'introduire les notions qui seront développées dans les articles se référant aux applications qu'on vient d'esquisser.

Rappel d'électrostatique du vide

Dans toute la suite du texte, on désigne par la lettre grecque ε une permittivité absolue et par la lettre κ une permittivité relative par rapport au vide.

La loi fondamentale de l'électrostatique, ou loi de Coulomb :

exprime la force répulsive s'exerçant entre deux charges ponctuelles q situées dans le vide et séparées par la distance r. Cette relation (1) définit l'unité de charge électrostatique C.G.S. comme celle qui, placée à 1 centimètre d'une autre charge identique, est soumise à une force répul [...]

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