3. Relation entre la charge électrique et la tension aux bornes du condensateur








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Première génié mécanique Les condensateurs

Les condensateurs




1. Structure


Un condensateur est composé de deux plaques conductrices séparées par un isolant (diélectrique). L’isolant peut être du plastique ou la céramique. Pour certains condensateurs l’isolant est du papier imprégné d’un produit chimique.



Le condensateur est caractérisé par sa capacité C exprimée en Farads (F)



Pour augmenter la capacité du condensateur, on peut :

  • augmenter la surface S en roulant les plaques ou en multipliant les plaques (très vite apparaît un problème de taille du composant).

  • Diminuer l’épaisseur entre les deux plaques, mais il pourra alors supporter des tensions moindres au risque de provoquer un arc électrique entre les deux armatures et détruire l’isolation.

  • Augmenter la constante diélectrique e, mais cela augmente généralement le coût du composant

2. Principe physique


Les électrons du courant électrique ne traversent pas l’isolant. Mais l’arrivée un électron sur une des plaques va provoquer par répulsion électrique le départ d’un électron de l’autre plaque.



En conséquence, une plaque, ou armature, se charge négativement, et l’autre positivement.



Si aucun circuit ne permet au condensateur d’évacuer ses charges électriques, celui les conserve.

3. Relation entre la charge électrique et la tension aux bornes du condensateur


Expérience

En TP, nous alimentons un condensateur sous un courant constant de 2 mA.



On observe que la tension varie proportionnellement au temps.



Dans le chapitre sur les lois fondamentales d’électricité nous avons vu

Lien : http://www.physique-appliquee.net/physique/lois_electricite/electricite/electricite01.html



où I est le courant en ampères (A), DQ la variation de charge électrique en coulombs (C) et Dt la variation de temps en secondes (s).

Ce qui permet d’écrire :

ou encore

Et comme le début de l’expérience est aussi le début de la mesure du temps nous avons .

Et comme au début de l’expérience, le condensateur est déchargé, nous avons .

Finalement nous avons :



La quantité de charge électrique Q qui passe dans le circuit augment proportionnellement avec le temps.



On résume :

  • UC est proportionnel au temps

  • Q est proportionnel au temps

Donc :

  • Q est proportionnel à UC.

Dans Excel, nous avons cherché cette relation qui est :






4. Capacité

La valeur de la capacité d’un condensateur a le plus souvent quelques nanofarads (nF – 10-9) à quelques millifarads (mF – 10-3).

Exemples : C = 22 nF

C = 4700 mF

Le condensateur intervient :

- en électronique pour réaliser des fonctions de filtrages, de temporisation, d’horloge.

- en électrotechnique pour modifier le facteur de puissance (cosj) d’une installation électrique.

5. Association de condensateurs


Nous avons vu au paragraphe 1, que pour augmenter la capacité d’un condensateur, on pouvait augmenter la surface S des armatures. On peut y arriver en associant des condensateurs en parallèle.







Association parallèle :



5. Energie accumulée par un condensateur


Expérience

Chargeons un condensateur sous une tension U de 12V - l’interrupteur est sur la position 1.




Les charges électriques s’accumulent dans le condensateur. uC augmente. La charge s’arrête lorsque uC = U.


Plaçons ensuite l’interrupteur en position ouverte - position 2.




Les charges dans le condensateur ne peuvent pas s’évacuer. uC ne change pas.


Après quelques instants, on place l’interrupteur sur la position 3




Le condensateur se décharge à travers l’ampoule qui brille. Le courant s’annule rapidement, l’énergie stockée par le condensateur se dissipe par effet joule à travers l’ampoule.


Cette expérience montre que le condensateur peut stocker une énergie pour la restituer ensuite.

Cette énergie s’exprime :




Claude Divoux, avril 2006 /

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