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Auteur(s)
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Yvan SEGUI : Directeur de Recherches au Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) - Laboratoire de Génie électrique ESA 5003. Université Paul Sabatier
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Dans cet article, on s’intéresse aux mouvements de charges sur des distances beaucoup plus importantes que quelques distances interatomiques. Les courants que l’on va mesurer sont même dus, pour une large part, à des porteurs qui, injectés à partir d’une des électrodes, vont traverser l’épaisseur du matériau. Gardons tout de même en mémoire le fait qu’un mouvement localisé de porteur donnera lieu à un courant mesurable dans le circuit extérieur, même si le porteur ne sort pas du diélectrique.
Mesurer la conduction dans un diélectrique peut, à priori, apparaître comme paradoxal ou inutile, puisque sa fonction principale est, en général, d’assurer une isolation. Toutefois, ce que l’on appelle communément des isolants sont des matériaux dont la résistivité varie de quelques 10 8 Ω · cm jusqu’à 1018 Ω · cm ou plus. Cette variation de plus de 10 décades suggère fortement que plusieurs phénomènes ou mécanismes de conduction peuvent générer des courants.
En outre, d’un point de vue des composants et des systèmes , deux aspects sont extrêmement importants :
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le cas de l’utilisation des matériaux à très faibles pertes (par exemple, les condensateurs) ;
-
le cas où l’évolution des très faibles courants de conduction est le signe avant-coureur d’une dégradation des propriétés du matériau d’isolation qui va, à terme, mettre fin à la vie du dispositif.
Il est donc utile, voire indispensable dans certains cas, de pouvoir mesurer, analyser et comprendre l’origine des courants de conduction qui apparaissent dans les isolants lorsqu’ils sont soumis intentionnellement ou non à un champ électrique. Cette nécessité est renforcée par le fait que l’évolution actuelle du matériel en construction électrique tend vers des puissances massiques et des températures de fonctionnement plus élevées. Cette évolution conduit à un accroissement des contraintes, notamment électriques, sur les isolants et ne permet plus la solution de facilité qui consistait à augmenter l’épaisseur d’isolation, mais nous oblige à une utilisation plus proche des limites de tenue des matériaux diélectriques.
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Conduction électronique
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3. Conduction ionique
Des ions, en plus ou moins grandes quantités, existent dans tous les matériaux diélectriques. Ils proviennent d’impuretés, dépendant des procédés de fabrication, des processus d’ionisation liés, par exemple, à l’absorption de rayonnement, des processus de dégradation du matériau ou, encore, de l’absorption de contamination, comme des molécules d’eau qui peuvent, en se dissociant, former des ions OH −.
Le transport des ions se différencie de celui des électrons par deux facteurs principaux :
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la taille des espèces transportées est incomparablement plus importante et les simples effets stériques peuvent, à eux seuls, expliquer que les mobilités ioniques sont inférieures, de plusieurs ordres de grandeurs, aux mobilités électroniques ;
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le transport d’ions résulte en un transport de matière.
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Le mécanisme de transport est, en fait, une série de sauts au-dessus des barrières de potentiel, qui permet aux ions de se mouvoir d’un site à un autre. Ces barrières de potentiel sont créées par la structure locale du matériau et sont modifiées par le champ électrique extérieur appliqué. La figure 7 décrit cette situation.
Si φ est la profondeur du puits de potentiel que voit un ion situé en A en l’absence de champ appliqué, la hauteur de barrière qu’il aura à franchir lorsqu’on applique un champ E est :
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dans le sens direct :
-
dans le sens inverse :
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Les courants direct I d et inverse I i sont respectivement proportionnels à
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Conduction ionique
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BRUNET (H.), TEYSSIER (J.L.) - Introduction à la physique des matériaux conducteurs et semiconducteurs. - 316 p. 1992. Dunod Paris.
-
(2) - ANDERSON (P.W.) - * - Physical Review 109, 1958 p. 1492-1498.
-
(3) - MOTT (N.F.) - Conduction in non crystalline materials - (Conduction dans les matériaux non cristallins). 128 p. 1987. Clarendon Press Oxford university Press (GB).
-
(4) - RAIZER (Y.P.) - Gaz discharge physics - (Physique des décharges dans les gaz). 449 p. 1991. Springer Verlag Berlin.
-
(5) - NASSER (E.A.) - Fondamentals of gaseous ionization and plasma electronics - part 1 - (Bases de l’ionisation dans les gaz et de l’électronique des plasmas − tome 1) 249 p. 1971 Wiley interscience New York (USA).
-
(6) - * - Cours de Physique de Berkeley Tome 2 :...
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