7.5 Champs électriques et isolants

            Henry a découvert en 1832 l'existence de la force électromotrice induite due au phénomène de l'auto-induction par la présence d'une vive étincelle dans l'air, au moment de l'ouverture du circuit électrique. Nous avons vu, depuis le tout début de cet ouvrage, que l'étincelle accompagne le passage d'un courant électrique dans l'air. Or l'air est normalement un isolant.

a) tension de claquage et rigidité diélectrique

            Il s'ensuit qu'un corps, normalement isolant, devient conducteur si la tension à ses bornes est suffisamment grande. La tension minimale requise, pour qu'un corps normalement isolant devienne conducteur, est sa tension de claquage. Faraday mesure celle-ci, en 1833, avec un électroscope, dans le cas de plusieurs isolants placés entre deux surfaces conductrices parallèles. Il remarque alors que la tension de claquage est proportionnelle à l'épaisseur de l'isolant placé. Il s'ensuit que c'est le rapport entre la tension de claquage et l'épaisseur qui est une constante pour un isolant donné.

            Le rapport entre la tension de claquage d'un isolant et son épaisseur est appelé sa rigidité diélectrique. Cette dernière valeur, constante pour un isolant donné, peut plus tard être mesurée à l'aide de l'électromètre, et donc donnée en volts par millimètre, comme dans le tableau ci-contre. Remarquons que ce rapport est le champ électrique maximal que peut supporter cet isolant sans devenir conducteur.

b) lignes de force électrique

            Nous avons vu que Faraday invente en 1831 le concept de lignes de force magnétique, lignes qu'il visualise à l'aide de la limaille de fer; et qui lui permettent d'abord de mieux comprendre les phénomènes d'attraction et de répulsion magnétiques, puis de comprendre le phénomène d'induction électromagnétique. Il décide d'appliquer ce même schème dans le cas de la force électrique: aussi invente-t-il le concept de ligne de force électrique en 1836. Ces lignes peuvent être visualisées, par exemple, à l'aide de petites aiguilles isolantes placées dans l'espace où il cherche la forme de celles-ci.

c) cage de Faraday

            Faraday place une boîte conductrice creuse entre les plaques conductrices de telle sorte qu'il reste une région d'air de chaque côté: il remarque que ces aiguilles s'orientent partout dans la zone entre une plaque et la boîte, mais pas dans cette dernière. Ce résultat était évidemment déjà connu puisque le champ électrique qui existe à l'intérieur de la boîte conductrice est toujours nul: un conducteur isole un corps placé en son intérieur des influences électriques externes.

            Pareille boîte métallique est dite cage de Faraday, puisqu'il en produit des énormes. Une boîte de fer, avons-nous vu, isole un corps de l'influence magnétique; cette même boîte, étant conductrice, isole un corps également de l'influence électrique. Evidemment, cela est dû au fait que des charges sont induites sur les surfaces de la boîte métallique qui font face aux plaques; Faraday sait donc bien que la force électrique, due aux plaques, agit sur la boîte conductrice et y cause un mouvement temporaire de charges.

d) diélectrique

            L'isolant est le seul matériau qui supporte les lignes de force électrique sans qu'il y ait conduction de charges.

            Les lignes de force magnétique sont visibles parce que les aiguilles de limaille de fer se sont magnétisées l'une l'autre; pour Faraday, cette magnétisation s'effectue de l'une à l'autre à la suite; ce phénomène n'en est pas un qui a lieu à distance, mais de proche en proche, d'aiguille en aiguille. Pour lui, la même chose a lieu dans le cas des lignes de force électrique: les aiguilles s'électrisent les unes les autres, à la suite. Et cela n'a lieu que dans les milieux isolants. Aussi en 1837 renomme-t-il les isolants diélectriques: ce terme, qui vient du grec, s'applique à un milieu à travers (dia, en grec) lequel une force électrique agit sans conduction.

            Faraday a déjà compris en 1833 que la dissociation moléculaire a lieu dans l'électrolyse lors du passage du courant. Elle n'existe pas dans le cas des diélectriques, vu qu'il n'y a pas de passage de courant. Mais les molécules du diélectrique sont électrisées, polarisées, sous l'influence de leurs voisines. Mais l'influence électrique qui y existe est transmise par les lignes de force électrique qui s'y trouvent, tout comme dans le cas de l'influence magnétique.