Le condensateur : composant fondamental
Structure et rôle d'un condensateur
Un condensateur est constitué de deux plaques conductrices, appelées armatures, séparées par un matériau isolant, le diélectrique.
- Armatures : Ces plaques métalliques sont les parties conductrices du condensateur. C'est sur elles que s'accumulent les charges électriques. Lorsque le condensateur est chargé, une armature porte une charge et l'autre une charge .
- Diélectrique : C'est le matériau isolant (air, papier, céramique, plastique, etc.) situé entre les armatures. Il empêche le courant de circuler directement d'une armature à l'autre et permet d'augmenter la capacité du condensateur. Le diélectrique est crucial car il renforce le champ électrique et donc la quantité d'énergie stockée.
Le rôle principal d'un condensateur est le stockage temporaire de charges électriques et d'énergie électrique. Il peut ensuite libérer cette énergie rapidement ou l'utiliser pour lisser des tensions.
Capacité électrique (C)
La capacité électrique () est une grandeur physique qui caractérise l'aptitude d'un condensateur à stocker des charges électriques pour une tension donnée. Plus la capacité est grande, plus le condensateur peut stocker de charges.
- Définition : La capacité est définie par la relation , où est la charge électrique stockée sur l'une des armatures (en valeur absolue) et est la tension électrique aux bornes du condensateur.
- Unité : L'unité internationale de la capacité est le Farad (symbole ). Le Farad est une très grande unité ; on utilise souvent ses sous-multiples :
- microfarad () :
- nanofarad () :
- picofarad () :
- Facteurs influençant la capacité : Pour un condensateur plan, la capacité dépend de :
- La surface des armatures () : est proportionnelle à .
- La distance entre les armatures () : est inversement proportionnelle à .
- La nature du diélectrique : caractérisée par sa permittivité électrique (). Plus est élevé, plus est grande. La formule est .
Relation charge-tension (Q=C.U)
C'est la loi fondamentale du condensateur. Elle relie la charge électrique accumulée sur ses armatures à la tension à ses bornes.
- Charge électrique () : C'est la quantité d'électricité accumulée sur une armature (l'autre ayant la charge opposée ). Elle s'exprime en Coulomb ().
- Tension aux bornes () : C'est la différence de potentiel électrique entre les deux armatures du condensateur. Elle s'exprime en Volt ().
- Loi fondamentale du condensateur : Cette relation est linéaire : si la tension aux bornes d'un condensateur double, la charge qu'il stocke double également (pour un condensateur donné). C'est une relation clé pour toutes les analyses de circuits capacitifs.
Intensité du courant et charge (i=dQ/dt)
Le courant électrique est le mouvement de charges. Lorsque la charge stockée dans un condensateur varie, un courant circule.
- Définition de l'intensité : L'intensité du courant électrique () est le débit de charge, c'est-à-dire la quantité de charge qui traverse une section de circuit par unité de temps.
- Relation avec la variation de charge : Pour un condensateur, l'intensité du courant qui le traverse est égale à la dérivée de la charge par rapport au temps : Si le condensateur se charge, augmente, donc est positif. S'il se décharge, diminue, donc est négatif (le courant circule dans le sens inverse).
- Convention de signe : Il est crucial d'adopter une convention de signe cohérente. Si le courant est orienté dans le sens de la charge de l'armature positive, alors . On considère généralement que le courant entre par l'armature portant la charge positive. En remplaçant par (où est la tension aux bornes du condensateur), on obtient une autre relation très utile : Cette formule montre que le courant ne circule dans un condensateur que si la tension à ses bornes varie dans le temps. Un condensateur se comporte comme un circuit ouvert en régime continu (tension constante, ).


