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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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Techniques de mesures électriques
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2. Définitions et grandeurs mesurables
2.1 Matériau diélectrique
C’est un matériau isolant homogène, qui peut contenir et transporter un champ électrique : il s’agit donc d’un matériau qui n’a pas de porteurs de charge libre dans tout son volume. Un exemple idéal serait le vide absolu. Mais cette situation – utilisée dans quelques cas exceptionnels – ne convient pas généralement, et on doit faire appel à des matériaux solides, liquides ou gazeux suivant les applications. Ces matériaux sont constitués d’atomes, de molécules, d’ions liés par des forces électriques. Ainsi, l’application d’un champ électrique élevé va perturber la structure même du diélectrique. Tous les électrons des isolants participent aux liaisons de la structure (pas d’électrons libres dans la bande de conduction, a contrario des matériaux conducteurs où la présence de nombreuses charges libres permet de contrebalancer le champ appliqué et de l’annuler à l’intérieur d’un métal). Dans les solides isolants, le gap bande de valence-bande de conduction atteint plusieurs électronvolts, mais le désordre engendre des « niveaux localisés » – sous la bande de conduction – qui pourront être occupés.
HAUT DE PAGE2.2 Contacts utilisés
Il est rare de rencontrer un diélectrique « seul ». En général, il est muni d’électrodes conductrices. Il faut alors considérer comme une entité à caractériser le couple « diélectrique-électrode ». On distingue :
-
les électrodes posées contre ou pressées à chaud ;
-
les électrodes peintes ;
-
les électrodes déposées sous vide ou par extrusion.
Les deux premiers cas peuvent poser quelques problèmes (espace d’air ou diffusion du dissolvant dans le diélectrique). La structure du contact est complexe, car même dans le cas d’une adhésion parfaite, la rugosité joue un rôle important en provoquant des effets de très forts champs électriques dus aux pointes du conducteur : l’injection locale de charges peut alors être facilitée dans les « niveaux localisés...
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Définitions et grandeurs mesurables
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - AMBROSI (L.E.) - Structural Dependence of the Electrical Conductivity of Polyethylene Terephtalate. - Journal of Polymer Science, vol. 62, p. 331-346 (1962).
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(2) - ROSE (A.) - Concepts in Photoconductivity and Allied Problems. - Interscience Publishers, New York, USA (1963).
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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).
-
(4) - COELHO (R.) - Considérations Théoriques sur le contact Métal-Isolant. - Revue Générale d’Électricité, no 6, p. 759-768 (1966).
-
(5) - LENGYEL (G.) - Schottky Emission and Conduction in Some Organic Insulating Materials. - Journal of Applied Physics, vol. 37, p. 807-810 (1966).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
MATHEMATICA 8-9 Site Web : http://www.Wolfram.com/mathematica
HAUT DE PAGE
Congrès :
JICABLES à Versailles, palais des Congrès depuis 1987, tous les quatre ans
SFE (Société Française d’Electrostatique) tous les deux ans depuis 2000
ICD (International Conference on Dielectrics), IEEE (CEIDP, Conference on Electrical Insulation and Dielectrics), CIGRE (Paris Palais des Congrès).
HAUT DE PAGE
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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