Qu’est-ce qu’un matériau isolant ?
Les matériaux isolants sont des matériaux qui conduisent difficilement, voire pas du tout l’électricité.
Les plastiques et le caoutchouc en sont des exemples typiques. Un matériau qui conduit facilement l’électricité est appelé conducteur, tandis qu’un matériau dont les caractéristiques de conducteur se transforment en isolant en fonction de conditions telles que la température est appelé semi-conducteur.
La différence de propriétés physiques provient des électrons libres qui peuvent se déplacer librement dans un matériau. Lorsqu’une différence de tension est générée dans un matériau dans lequel il existe des électrons libres, ceux-ci se déplacent et un courant électrique circule. Dans les matériaux isolants, les électrons libres se déplacent peu ou pas du tout, de sorte qu’aucun courant ne circule.
Utilisations des matériaux isolants
Les matériaux isolants sont utilisés pour gainer les cartes et les câbles qui intègrent des composants électroniques. Les matériaux isolants peuvent être utilisés pour protéger les fils des contacts électriques entre eux, car le contact entre des fils conducteurs d’électricité peut provoquer des dysfonctionnements. En plus des câbles d’alimentation, la plupart des produits de câblage tels que les câbles LAN et USB utilisent également des matériaux isolants, tels que le caoutchouc et le vinyle.
Les matériaux isolants sont parfois utilisés lorsque le “podding” (revêtement) est appliqué à la surface des éléments d’un circuit imprimé pour éviter qu’ils ne soient mouillés par l’eau.
Principe des matériaux isolants
La différence entre les matériaux isolants et les conducteurs provient de la présence ou de l’absence d’électrons libres, qui est déterminée par la bande d’énergie interdite entre la bande de conduction et la bande de valence.
Les électrons de valence, qui sont partagés avec les atomes environnants dans les liaisons covalentes qui constituent le matériau, existent dans une région appelée bande de valence, qui a un faible niveau d’énergie. Les électrons de valence de ce niveau ne se déplacent pas lorsqu’une différence de tension est appliquée. D’autre part, il existe dans la matière une région appelée bande de conduction, qui a un niveau d’énergie plus élevé que la bande de valence, et la différence d’énergie entre la bande de conduction et la bande de valence s’appelle la bande interdite. Lorsque les électrons de la bande de valence reçoivent de l’énergie lumineuse, thermique ou électrique et traversent la bande d’énergie pour atteindre la bande de conduction, ils se déplacent en tant qu’électrons libres et un courant circule.
Les conducteurs n’ont pratiquement pas de bande interdite. De nombreux électrons passent facilement dans la bande de conduction, ce qui augmente le nombre d’électrons libres et le flux de courant. À l’inverse, les matériaux isolants ont une grande bande interdite et ne passent pas facilement à la bande de conduction, ce qui donne peu d’électrons libres et pas de courant. Toutefois, lorsqu’ils reçoivent des énergies importantes supérieures à la bande interdite, comme la foudre, même les isolants peuvent passer à la bande de conduction et un courant peut circuler.
Types de matériaux isolants
Il existe un certain nombre de matériaux isolants présentant des caractéristiques différentes.
1. Matériaux isolants à base de gaz
Il s’agit entre autre de l’air, l’hexafluorure de soufre (SF6), le dioxyde de carbone, etc., principalement utilisés sous pression. Le SF6 est synthétisé à partir de soufre et de fluor et a été utilisé dans les disjoncteurs et les transformateurs isolés au gaz en raison de sa rigidité diélectrique supérieure, mais son utilisation est de plus en plus limitée en raison de son fort potentiel de réchauffement de la planète.
2. Matériaux isolants liquides
Les huiles végétales, les huiles isolantes synthétiques et les huiles minérales en sont des exemples. Les huiles végétales sont utilisées comme matières premières pour les huiles isolantes, tandis que les huiles isolantes synthétiques et les huiles minérales sont utilisées pour isoler et refroidir les équipements électriques remplis d’huile tels que les câbles, les condensateurs et les transformateurs.
3. Matériaux isolants solides
Le mica, la céramique et le verre sont utilisés. Le mica est un cristal naturel doté d’une grande résistance à la chaleur et de propriétés isolantes. Il est transformé en rubans, feuilles et plaques, qui sont largement utilisés pour l’isolation des bobines. Les céramiques, formées à partir de poudres minérales et frittées à haute température, sont utilisées dans l’emballage des semi-conducteurs et les isolateurs haute fréquence. Le verre est dur et cassant, mais il est transparent, a une bonne résistance à la chaleur et de bonnes propriétés isolantes et peut être utilisé dans les tubes cathodiques et les ampoules électriques.
4. Matériaux fibreux organiques
La soie, le fil de coton, le papier, le polyester et le nylon en sont des exemples. Le papier est depuis longtemps imprégné d’huile isolante et utilisé pour isoler les équipements électriques remplis d’huile.
5. Matériaux à base de peinture
Fabriqués en dissolvant des résines synthétiques ou naturelles dans un solvant. Les peintures isolantes telles que les vernis émail et les vernis pour bobines sont utilisées pour les matériaux isolants.
6. Matériaux à base de caoutchouc
Le caoutchouc silicone, le caoutchouc éthylène-propylène, le caoutchouc butyle et le caoutchouc naturel sont utilisés pour les produits moulés et les revêtements de fils.
7. Matériaux à base de résine
Les résines naturelles telles que la colophane et le sérac sont utilisées comme matières premières pour les peintures isolantes. Les résines synthétiques comprennent les résines thermoplastiques et thermodurcissables, qui sont largement utilisées dans les matériaux isolants, les gaines de fils, les produits laminés et moulés.