DIÉLECTRIQUES

Variation de la permittivité avec la fréquence

Divers types de charges et groupements de charges

Dans le but d'étudier comment varie la permittivité d'un diélectrique avec la fréquence de mesure, il faut d'abord faire le bilan des divers types de charges et groupements de charges soumis à l'action du champ. On distingue :

– les électrons des couches internes, fortement liés aux noyaux atomiques ;

– les électrons des couches externes, ou électrons de valence dans les atomes ou les molécules ;

– les électrons libres ou électrons de conduction (en petit nombre dans les diélectriques) ;

– les ions liés à d'autres ions de charge opposée, dans les molécules ou les cristaux (exemple : Cl^- H⁺) ; ces paires d'ions forment des dipôles permanents ;

– les ions libres, tels que ceux des électrolytes et des cristaux ioniques (exemple : ions K⁺ excédentaires dans KCl). Ces ions peuvent être associés à des dipôles permanents (exemple : OH^-) ;

– les dipôles induits par le champ appliqué ; par exemple, une molécule de benzène, de moment dipolaire nul en l'absence de champ, se polarise et acquiert un dipôle induit dans un champ électrique, à cause d'une redistribution des électrons de valence (notons qu'un champ électrique modifie le moment dipolaire d'un dipôle permanent) ;

– les multipôles ; par exemple, deux dipôles identiques associés et antiparallèles ont un moment dipolaire nul : ils forment un quadrupôle.

Tous ces types de charges ou de groupements de charges sont perturbés par le champ électrique. Les charges libres se déplacent dans la direction du champ si elles sont positives, ou vice versa.

Les charges liées tendent à se déplacer (et en fait se déplacent légèrement), mais sont maintenues par les forces de rappel, qui augmentent très vite avec le déplacement.

Les dipôles tendent à s'orienter dans la position d'énergie potentielle minimale, c'est-à-dire dans la direction du champ, et, en fait, tous les dipôles s'aligneraient si l'agitation thermique ne s'opposait à cette orientation (la théorie de Langevin pour le paramagnétisme est formellement identique).

Enfin, les multipôles ne s'orientent pas, mais se déforment légèrement.

Si on annule brusquement une contrainte électrique appliquée, toutes les charges et tous les groupements de charges évoluent vers l'état initial. Les dipôles induits se dépolarisent et s'annulent, l'anisotropie due à l'orientation des dipôles permanents disparaît, les charges libres accumulées aux électrodes diffusent de manière à annuler les gradients de concentration, etc.

Chaque type de charge ou de groupement se déplace, ou se déforme, avec une vitesse qui lui est propre, et qui dépend d'une part de la masse des particules en jeu et d'autre part des forces de rappel ou de frottement.

Onde électromagnétique : interaction avec la matière

Résumé des différents modes d'interaction d'une onde électromagnétique avec la matière 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Ainsi, les électrons des couches internes des atomes, liés au noyau par des forces énormes, ont des mouvements propres extrêmement rapides, dont la période, de l'ordre de 10^-19 seconde, correspond à celle du rayonnement X. Par suite, un rayonnement électromagnétique d'une fréquence supérieure (ou d'une période inférieure), trop « rapide » pour amorcer les vibrations électroniques, n'a aucun effet polarisant, et la permittivité relative des matériaux à ces fréquences est égale, ou très légèrement inférieure à celle du vide (point 1 de la ).

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Si on abaisse la fréquence du rayonnement incident au-dessous de la fréquence de résonance des électrons internes, ces électrons ont, en quelque sorte, le temps d'obéir à la sollicitation du vecteur électrique du champ ; ils oscillent avec le champ appliqué et polarisent le matériau à la fréquence correspondante, la permittivité relative devient alors légèrement supérieure à l'unité (point 2 de la ).

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Si on abaisse maintenant la fréquence au-dessous de la fréquence propre des électrons de valence, qui se situe dans le visible ou l'ultraviolet (λ = 0,1 à 1 μm, f ∼ 3.10¹⁴ à 3.10¹⁵ Hz), ces électrons se mettent à vibrer avec le champ appliqué, et une nouvelle polarisation contribue à la permittivité, qui augmente à nouveau (point 3 de la ).

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Le même phénomène se produit aux fréquences correspondant aux vibrations atomiques dans les molécules ou les cristaux, qui se situent dans l'infrarouge (λ = 10 à 100 μm, soit f = 3.10¹² à 3.10¹³ Hz : point 4 de la ).

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Tous les phénomènes décrits jusqu'ici sont des déplacements de charges rappelées vers leur position d'équilibre par des forces [...]

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