Cet article concerne l'isolation électrique. Pour l'isolation de la chaleur, voir Isolation thermique. Un isolant électrique est un matériau dont les charges électriques internes ne circulent pas librement. très peu de courant électrique le traversera sous l'influence d'un champ électrique. Cela contraste avec d'autres matériaux, semi-conducteurs et conducteurs, qui conduisent le courant électrique plus facilement. La propriété qui distingue un isolant est sa résistivité; les isolateurs ont une résistivité plus élevée que les semi-conducteurs ou les conducteurs.Il n'existe pas d'isolant parfait, car même les isolateurs contiennent un petit nombre de charges mobiles (porteurs de charge) pouvant transporter du courant. De plus, tous les isolants deviennent électriquement conducteurs lorsqu'une tension suffisamment grande est appliquée pour que le champ électrique arrache les électrons des atomes. C'est ce que l'on appelle la tension de claquage d'un isolateur. Certains matériaux comme le verre, le papier et le téflon, qui ont une résistivité élevée, sont de très bons isolants électriques. Une classe de matériaux beaucoup plus large, même si leur résistivité en masse peut être plus faible, reste suffisamment bonne pour empêcher un courant important de circuler aux tensions normalement utilisées et est donc utilisée comme isolant pour les câbles et les fils électriques. Les exemples incluent les polymères de type caoutchouc et la plupart des plastiques pouvant être de nature thermodurcissable ou thermoplastique. Les isolateurs sont utilisés dans les équipements électriques pour supporter et séparer les conducteurs électriques sans laisser passer de courant. Un matériau isolant utilisé en vrac pour envelopper des câbles électriques ou d'autres équipements est appelé isolation. Le terme isolant est également utilisé plus spécifiquement pour désigner des supports isolants utilisés pour relier des lignes de distribution ou de transmission d'énergie électrique à des poteaux et à des tours de transmission. Ils supportent le poids des câbles suspendus sans permettre au courant de circuler à travers la tour vers la terre.

Physique de la conduction dans les solides

L'isolation électrique est l'absence de conduction électrique. La théorie des bandes électroniques (une branche de la physique) dit qu'une charge s'écoule si des états sont disponibles dans lesquels des électrons peuvent être excités. Cela permet aux électrons de gagner de l'énergie et ainsi de passer à travers un conducteur tel qu'un métal. Si de tels états ne sont pas disponibles, le matériau est un isolant. La plupart des isolateurs (mais pas tous, voir isolant de Mott) ont une bande interdite importante. Cela se produit parce que la bande de "valence" contenant les électrons de la plus haute énergie est pleine et qu’un grand fossé d’énergie sépare cette bande de la bande située au-dessus de celle-ci. Il y a toujours une tension (appelée tension de claquage) qui donne aux électrons suffisamment d'énergie pour être excités dans cette bande. Une fois que cette tension est dépassée, le matériau cesse d'être un isolant et une charge commence à le traverser. Cependant, il s'accompagne généralement de modifications physiques ou chimiques qui dégradent en permanence les propriétés isolantes du matériau. Les matériaux dépourvus de conduction électronique sont des isolants s’ils n’ont pas non plus d’autres charges mobiles. Par exemple, si un liquide ou un gaz contient des ions, ceux-ci peuvent alors circuler sous forme de courant électrique et le matériau est conducteur. Les électrolytes et les plasmas contiennent des ions et agissent en tant que conducteurs, que le flux d'électrons soit impliqué ou non.

Panne

Soumis à une tension suffisamment élevée, les isolateurs souffrent du phénomène de la panne électrique. Lorsque le champ électrique appliqué à une substance isolante dépasse, en quelque endroit que ce soit, le champ de rupture de seuil de cette substance, l'isolateur devient soudainement conducteur, provoquant une forte augmentation du courant, un arc électrique traversant la substance. Une panne électrique survient lorsque le champ électrique dans le matériau est suffisamment puissant pour accélérer les porteurs de charge libres (électrons et ions toujours présents à de faibles concentrations) à une vitesse suffisamment élevée pour que les électrons soient renversés lorsqu'ils frappent, ionisant les atomes. Ces électrons et ions libérés sont à leur tour accélérés et frappent d'autres atomes, créant ainsi davantage de porteurs de charge, dans une réaction en chaîne. Rapidement, l'isolateur se remplit de porteurs de charge mobiles et sa résistance chute à un niveau bas. Dans un solide, la tension de claquage est proportionnelle à l'énergie de la bande interdite. Lorsqu'une décharge corona se produit, l'air dans une région située autour d'un conducteur haute tension peut se décomposer et s'ioniser sans augmentation catastrophique du courant. Cependant, si la zone de ventilation s'étend à un autre conducteur à une tension différente, il crée un chemin conducteur entre eux et un courant important circule dans l'air, créant ainsi un arc électrique. Même le vide peut subir une sorte de panne, mais dans ce cas, la rupture ou l’arc sous vide implique des charges éjectées de la surface des électrodes métalliques plutôt que produites par le vide lui-même.En outre, tous les isolants deviennent des conducteurs à très hautes températures, comme le thermique. l'énergie des électrons de valence est suffisante pour les placer dans la bande de conduction.

Dans certains condensateurs, des courts-circuits entre les électrodes formées en raison d’une rupture du diélectrique peuvent disparaître.