Un isolant électrique, aussi appelé « matériau diélectrique », est un élément ayant pour fonction d’interdire le passage de tout courant électrique entre deux parties conductrices. Les matériaux se comportent en effet différemment lorsqu’ils sont confrontés au passage du courant électrique.
Ce zoom vous présente quelques notions théoriques sur le courant électriques et sur les différents matériaux qui constituent des isolants électriques.
Isolant électrique : qu’est-ce que c’est ?
La matière est constituée de molécules composées d’atomes, eux-mêmes formés d’électrons gravitant autour d’un noyau.
Être conducteur en terme d’électricité signifie avoir la capacité de déplacer les électrons. Ceux-ci étant disposés en couches, ils circulent sur des niveaux d’énergie différents.
Une question de niveau d’énergie
Selon le niveau auquel ils appartiennent, les électrons rendent la matière qu’ils composent conductrice ou isolante.
On distingue :
- la bande de valence : c’est la zone de liaison inter-atomes, là où les électrons sont localisés et participent à la création des molécules et à la structure du matériau ;
- la bande de conduction : ici les électrons peuvent se déplacer et passer d’un atome à l’autre lorsqu’ils sont soumis à un champ électrique par exemple ;
- la bande interdite, aussi appelé « gap » : c’est une zone où les électrons n’accèdent pas et qui se situe entre la bande de valence et la bande de conduction.
Conséquences
L’ordonnancement des électrons dans la matière influe directement sur son état :
- Gap réduit : si la bande interdite (gap) est réduite, alors les électrons de la bande de valence et ceux de la bande de conduction sont très proches. Le matériau devient potentiellement conducteur de courant électrique. Par exemple : dans le métal, le gap est négligeable, donc les bandes de valence et de conduction se touchent, faisant du matériau un conducteur dans sa globalité.
- Gap élevé : les bandes de valence et de conduction sont trop éloignées pour qu’il y ait passage des électrons de l’une à l’autre. Le matériau est isolant.
- Cas intermédiaire, celui des semi-conducteurs : ils voient leur bande de valence pleine à une température nulle (0 degré Kelvin) alors que la bande de conduction est vide, tandis qu’elle se décharge d’une partie de ses électrons en direction de la bande de conduction dès l’apport d’une énergie. Ici, la gap est faible, mais pas inexistant.
Catégories de matériaux
On peut classer les matériaux en 4 catégories :
- Les isolants.
- Les conducteurs : la plupart des métaux sont conducteurs. Citons l’argent, l’or, le cuivre, l’aluminium, le fer, le zinc, mais aussi le graphite, et même l’eau dans certains cas (sel, impuretés…).
- Les semi-conducteurs : comme le germanium, le silicium, le sélénium et le gallium. Une application des semi-conducteurs : dans les panneaux photovoltaïques.
- Les supra-conducteurs : l’étain, le plomb et le niobium.
Isolant électrique : classement et propriétés des matériaux
Caractéristiques d’un isolant
La conductivité d’un isolant est nulle (ou quasi nulle), et sa résistance (exprimée en Ohm Ω) la plus proche possible de l’infini (∞Ω).
Utilisés notamment dans l’industrie pour la confection des câbles électriques ou des plaques séparatrices, les isolants protègent les utilisateurs de l’électrocution.
Exemples d’isolants électriques
Pour simplifier, disons que la plupart des métaux sont conducteurs, les autres types de matériaux sont généralement isolants.
- Les isolants :
- l’air, la pierre, la stéatite ;
- le verre, l’émail, la porcelaine ;
- le carton, le papier, le bois ;
- le tissu, la bakélite ;
- le caoutchouc, les vernis et la plupart des plastiques.
- Les isolants particuliers :
- l’eau : pure elle est isolante (cas rare), salée ou contenant des impuretés elle devient conductrice.
- Les conducteurs inattendus :
- le graphite : si vous essayez avec une mine de crayon et l’allumeur piézo d’un briquet par exemple, vous constaterez la transmission de l’étincelle !
- le corps humain : bien qu’il ait une résistance électrique, le corps humain contient beaucoup d’eau, ce qui le rend également conducteur.
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