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RÉSUMÉ
Cet article traite des techniques de mesures électriques actuelles pour les diélectriques solides. Il s’agit d’aider les ingénieurs et chercheurs dans leur choix de matériaux et composants intervenant dans les systèmes envisagés grâce à leurs propriétés électriques. Les aspects fondamentaux des grandeurs mesurées seront d’abord présentés, puis les techniques utilisées seront détaillées en développant particulièrement les systèmes utiles pour le stockage, le transport de l’énergie électrique et la fiabilité des composants électroniques. C’est ainsi que les nouvelles techniques de mesure des charges électriques présentes dans ces matériaux sont particulièrement utilisées pour estimer leurs performances attendues (caractérisation, durée de vie, vieillissement…).
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Alain TOUREILLE : Professeur émérite à l’université de Montpellier - Institut Électronique des Systèmes, Montpellier, France
INTRODUCTION
L’objet de cet article est de faire le point sur les techniques de mesures électriques des diélectriques existant au début du XXIe siècle, afin d’aider les ingénieurs et les chercheurs dans leur choix de matériaux et composants intervenant dans les systèmes envisagés grâce à leurs propriétés électriques. En effet, les problèmes industriels liés à la fiabilité des matériaux diélectriques solides (claquage, vieillissement, durée de vie…) font appel à une nécessaire caractérisation la plus complète possible afin de définir les limites du composant dans son environnement. Du côté de la recherche, les aspects fondamentaux liés à la conduction, aux échauffements, aux pertes, aux décharges partielles, à la rupture diélectrique, à l’accumulation de charges d’espace avec le temps sont autant de questions posées aux thésards qui ne peuvent trouver de réponse sans des mesures bien planifiées.
Nous présenterons d’abord les aspects théoriques des grandeurs mesurables, puis le détail des mesures elles-mêmes.
Depuis quelques décennies, de nouvelles techniques de mesures électriques ont été réalisées et adoptées maintenant par le monde industriel pour permettre une meilleure compréhension des diélectriques, éléments principaux du transport, du stockage de l’énergie électrique et de la fiabilité des composants de l’électronique. Compte tenu de la croissance et de la diversification des besoins énergétiques d’une part et du large développement mondial des technologies de communication grâce à la miniaturisation, ces matériaux prennent de plus en plus d’importance à la fois dans les domaines de la recherche et sur le plan sociétal.
Ainsi, nous présenterons les évolutions des techniques de mesure considérées comme classiques puis nous développerons pleinement les nouvelles méthodes notamment au niveau des caractérisation des charges électriques présentes dans ces matériaux. Ces techniques font l’objet d’attentions particulières, car elles changent la vision que l’on avait d’un « isolant ». Liée à la microstructure du matériau, l’accumulation de charges constitue des défauts qui limitent les performances des diélectriques, comme en témoignent les nombreuses publications et brevets déposés à ce sujet.
Ainsi aujourd’hui plusieurs techniques ont été utilisées et agréées par le monde industriel.
Dans la bibliographie, pour chaque technique, nous avons classé les publications chronologiquement de façon à montrer les évolutions dans le temps.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 1978 par Jean-François MOREL
- Version archivée 2 de avr. 1985 par Jean-François MOREL
- Version archivée 3 de juin 2009 par Alain TOUREILLE
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Évolution des matériaux diélectriques
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4. Conclusion
Au cours de cet article, nous avons vu les différentes techniques de mesures pouvant être appliquées aux diélectriques solides et des exemples de leurs résultats.
Ces résultats montrent que les hypothèses faites dans les années 70 se sont bien confirmées, à savoir qu’il fallait trouver des moyens de mesurer les défauts chargés (charges d’espace) pour comprendre les propriétés et les performances de ces matériaux.
Les techniques de mesures trouvées et développées dans les années 80 et 90 ont permis d’envisager leurs applications industrielles à partir des années 2000 et, de ce fait, la mise au point de matériaux et composants difficilement envisageables par le passé. C’est ainsi qu’il existe aujourd’hui, grâce à ces études, des câbles de transport extrudés à très haute tension continue (300-400 kV) pour les liaisons souterraines ou sous-marines entre des pays avec des projets allant jusqu’à 800 kV. Ce progrès technique accompagne le développement des énergies renouvelables comme celles du type éoliennes en mer. (Les câbles isolés souterrains ou sous-marins ne peuvent excéder 40 km de longueur en courant alternatif.)
De même en électronique (nanoélectronique et électronique de puissance) on a pu miniaturiser des composants en maîtrisant les problèmes dus aux champs électriques très intenses (> 1 000 kV/mm).
Les problèmes des radiations dans l’espace affectent la durée de vie des composants : on sait aujourd’hui quantifier ces effets et choisir les meilleurs matériaux.
Ainsi, nous pouvons envisager une utilisation systématique de ces types de mesures afin de comprendre puis d’optimiser le choix des diélectriques dans toutes leurs applications.
L’auteur remercie ses collègues Serge Agnel, Petru Notingher, Jerome Castellon pour leur importante et continuelle collaboration qui a permis les développements scientifiques et industriels des techniques et méthodes créées au sein du groupe GEM de l’Institut Électronique des Systèmes de l’université de Montpellier.
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BIBLIOGRAPHIE
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(3) - BUCCI (C.), FIESCHI (R.) - Ionic Thermoconductivity Method for the Investigation of Polarization in Insulators. - Physical Review Letters, vol. 12, no 1, p. 16-19 (1964).
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(4) - COELHO (R.) - Considérations Théoriques sur le contact Métal-Isolant. - Revue Générale d’Électricité, no 6, p. 759-768 (1966).
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(5) - LENGYEL (G.) - Schottky Emission and Conduction in Some Organic Insulating Materials. - Journal of Applied Physics, vol. 37, p. 807-810 (1966).
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MATHEMATICA 8-9 Site Web : http://www.Wolfram.com/mathematica
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Congrès :
JICABLES à Versailles, palais des Congrès depuis 1987, tous les quatre ans
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ICD (International Conference on Dielectrics), IEEE (CEIDP, Conference on Electrical Insulation and Dielectrics), CIGRE (Paris Palais des Congrès).
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International Electrotechnical Commission (IEC)
Nomenclature : normes de la série 60000, 61000, 62000
HAUT DE PAGEDistributeurs – Fournisseurs – Constructeurs
Charges d’espace (MOT) : Amplificateur Dynamique de Courants faibles :
Keithley Instruments Inc. : Keithley 428, Keithley B2985A http://www.keithley.com/,
CA530 NF Corporation ...
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