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RÉSUMÉ
La spectroscopie diélectrique basse fréquence permet d’accéder efficacement à l’identité diélectrique d’un polymère. Les principales caractéristiques ainsi accessibles sont : la permittivité, la résistivité et le facteur de dissipation. La spectroscopie diélectrique permet aussi de révéler des phénomènes de vieillissement, de détecter la présence d’eau, de faire ressortir la présence d’hétérogénéités et plus généralement d’obtenir des informations sur la structure du polymère. Cette technique permet également de diagnostiquer des défauts de construction.
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Olivier GALLOT-LAVALLEE : Enseignant et chercheur rattaché au département Mesures Physiques (IUT) de l’Université de Grenoble Alpes (UGA) et au Laboratoire de Génie Électrique de Grenoble (G2Elab UMR 5269) - Responsable de l’équipe de recherche : Matériaux Diélectriques et Électrostatique (MDE), Grenoble, France
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Patrice GONON : Enseignant et chercheur rattaché au département Chimie (IUT) de l’Université de Grenoble Alpes (UGA) et au Laboratoire des Technologies de la Microélectronique (LTM UMR 5129), Grenoble, France
INTRODUCTION
Les polymères sont des matériaux diélectriques dont l’application peut être de stocker et d’isoler « deux électricités ». Cette fonction n’étant jamais parfaite, on représente généralement le diélectrique par une impédance complexe. En parvenant à mesurer précisément, le module et l’argument de l’impédance du polymère, on obtient ses principales caractéristiques diélectriques, à savoir : la permittivité, la résistivité, et le facteur de dissipation.
La spectroscopie diélectrique basse fréquence est une technique permettant d’accéder efficacement à ces grandeurs et à leur dépendance à la fréquence.
Au-delà des caractéristiques purement électriques du polymère, la spectroscopie diélectrique permet aussi de révéler des phénomènes de vieillissement, de détecter la présence d’eau, de faire ressortir la présence d’hétérogénéités et plus généralement d’obtenir des informations sur la structure du polymère. Cette technique peut enfin aider à diagnostiquer des défauts de construction, tels que des cavités entre les couches d’isolation électrique ou bien encore la porosité du matériau diélectrique.
Les progrès réalisés ces vingt dernières années dans le domaine du traitement du signal et de l’électronique font que cette technique est aujourd’hui arrivée à maturité. Son caractère universel en fait une technique incontournable dans les premières étapes d’études d’un diélectrique. Cet article lui est donc très naturellement dédié…
Le domaine d’application visé est celui de l’isolation électrique et du stockage de l’électricité. La notion d’impédance complexe est introduite, les différentes techniques de mesures sont présentées et des méthodes d’identification des phénomènes physiques sont proposées.
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Impédance complexe
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5. Glossaire
Spectroscopie diélectrique ; dielectric spectroscopy
Technique permettant de mesurer, en fonction de la fréquence l’impédance complexe d’un isolant électrique et d’en déduire la permittivité, la résistivité, et le facteur de dissipation.
Permittivité réelle et imaginaire ; imaginary and real permittivity
La composante réelle ε' n’est autre que la permittivité relative ε r ; elle représente (à une constante près) la « susceptibilité » d’un diélectrique à se polariser sous l’effet d’un champ électrique. La composante imaginaire ε" est baptisée indice relatif de pertes car elle permet de retrouver la puissance active P a dissipée par le condensateur.
Conductivité AC/DC ; ac/dc conductivity
La conductivité σ' augmente avec la fréquence suivant une loi de puissance, avec un exposant proche de 1 en valeur inférieure (on parle alors de conductivité AC : σ AC). À basse fréquence, on observe parfois que la conductivité tend vers une valeur constante σ' = σ s (on parle alors de conductivité DC : σ DC correspondante à un déplacement « délocalisé » de charges à travers le diélectrique).
Polarisation dipolaire ; dipolar polarisation
Sous l’effet du champ électrique, les dipôles permanents, initialement présents et désordonnés dans les polymères s’orientent ; on appelle cela la polarisation dipolaire.
Facteur de dissipation ; dissipation factor
On peut définir le facteur de dissipation comme le rapport du courant réel
(conduction) sur le courant imaginaire
(polarisation) ou encore comme le rapport de la permittivité ε" sur ε'. Ce rapport n’est autre que la tangente de l’angle de pertes δ. Il est baptisé facteur de dissipation car il permet de retrouver la...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GALLOT-LAVALLÉE (O.) - Dielectric Materials and Electrostatics. - Hoboken, NJ USA : John Wiley & Sons, Inc. (2013).
-
(2) - KITTEL (C.) - Introduction à la physique de l’état solide. - Dunod univ. Paris : Dunod (1958).
-
(3) - BUREAU (J.M.) - Propriétés Diélectriques des Polymères. - Éditions Techniques Ingénieur [E 1850] (2016).
-
(4) - WILLIAMS (G.), THOMAS (D.K.) - Phenomenological and molecular theories of dielectric and electrical relaxation of materials. - Novocontrol Appl. Note Dielectr., vol. 3, pp. 1-29 (1998).
-
(5) - AGUET (M.), IANOZ (M.) - Traité d’électricité, vol. - XXII Haute Tens. (2004).
-
(6) - MENGUY (C.) - Mesure des caractéristiques...
International Conference on Broadband Dielectric Spectroscopy and its Applications (BDS)
http://bds2016.pi.ipcf.cnr.it/
German Bunsen Society for Physical Chemistry (DBG)
The Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP)
International Conference on Dielectrics (ICD)
http://sites.ieee.org/deis/conferences/
Novocontrol conférences
http://www.novocontrol.de/html/index_conferences.htm
HAUT DE PAGE
Novocontrol
Solartron analytical c/o Ametek
http://www.solartronanalytical.com/index.aspx
Keisight technologies c/o Agilent
Idax c/o Megger
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