Le condensateur
La bouteille de Leyde
En 1745, à Leyde, ville de la Hollande méridionale, trois savants (dont Cuneus et son professeur Musschenbroeck) qui étudiaient les phénomènes d'électricité statique s'aperçurent que le dispositif qu'ils avaient confectionné à l'aide d'une bouteille était capable de stocker de l'énergie électrique. Il s'agissait simplement d'une bouteille contenant une feuille métallique A conductrice sur la face interne et sur la face externe de sa paroi de verre D. Il venaient de créer le premier condensateur de l'Histoire. Les feuilles métalliques sont appelées "armatures" et la paroi isolante en verre est le "diélectrique".
En reliant les deux armatures du condensateur à une source d'électricité statique, les charges électriques négatives (électrons) en provenance de la borne (-) de la source viennent s'agglutiner sur une des armatures tandis que les charges positives (manque d'électrons) se rassemblent sur l'autre armature. Le déplacement de charges très rapide au début diminue très rapidement. Un équilibre s'établit entre charges positives et charges négatives. Le condensateur est alors chargé.
Un condensateur peut conserver trés longtemps sa charge si l'isolement entre les deux armatures est très grand. La quantité d'électrons (et de charges positives) enmagasinée est proposrtionnelle à la tension de la source d'électricité et à la "capacité" de stockage du condensateur.
Le condensateur plan
En utilisant deux armatures A en forme de plaques et une feuille d'isolant en guise de diélectrique D il est possible de réaliser un condensateur de grande capacité de stockage et de plus faible encombrement que la bouteille de Leyde. La capacité du condensateur est proportionnelle à la surface S commune aux deux armatures. Cette surface peut être augmentée en imbriquant plusieurs lames isolées entres elles. Un autre paramètre important est l'épaisseur du dièlectrique : plus cette épaisseur e est importante, plus faible est la capacité. Enfin, la nature de l'isolant utilisé comme diélectrique influe sur la capacité du condensateur.
Capacité d'un condensateur
La capacité C en farad d'un condensateur peut être calculée avec la formule :
avec :
S : surface de la plus petite des armatures en m²
e : épaisseur du diélectrique en m.
eo est la permittivité du vide et er est la permittivité ou constante diélectrique de l'isolant ().
En pratique on prendra eo égal à 8,85.10-12
Pour le vide er est égal à 1. L'air sec a une permittivité très proche de celle du vide.
En règle générale, plus la permittivité du diélectrique d'un condensateur est élevée moins elle est stable, ce qui implique que la capacité du condensateur pourra varier en fonction de la fréquence ou de la température.
Tension de service
Le diélectrique d'un condensateur ne peut supporter une tension infinie. La tension maximum d'isolement est fonction de l'isolant choisi et de l'épaisseur du diélectrique. Au delà il peut y avoir percement du diélectrique et claquage du condensateur. Certains isolants sont auto-cicatrisables, ils ne sont pas détruits aprés un claquage.
La faculté d'un milieu isolant de résister au claquage est appelée rigidité diélectrique. Elle est exprimée en kV/mm pour une épaisseur donnée car elle varie en fonction de l'épaisseur du diélectrique. Par exemple, la rigidité délectrique de l'air sec à température et pression normales est de 4,36kV/mm pour 1 mm d'épaisseur et 2,98kV/mm pour 10 mm d'épaisseur. L'hygrométrie et la température de l'isolant peuvent avoir un influence considérable sur la rigidité diélectrique, cette diminuant quant les premières augmentent.
La tension de service d'un condensateur est inférieure d'environ 20% à sa tension maxi d'utilisation.
Charge et énergie stockée dans un condensateur
La charge qui peut être emmagasinée dans un condensateur de capacité C en farad est donnée par la formule :
avec Q en coulomb et U la tension en volts aux bornes du condensateur.
Définition du farad : capacité d'un condensateur contenant 1 coulomb sous 1 volt.
L'energie stockée en joules peut être calculée avec :
Exemple : un condensateur de 100µF chargé à une tension de 300 V contient 0,03 coulombs et 4,5 joules.
Les condensateurs invisibles
On rencontre très souvent dans les circuits HF des condensateurs qui ne sont pas considérés comme composants proprement dits et que l'on désigne sous le terme de capacité (voire capacités parasites),
par exemple:
- capacités réparties dans une ligne - capacités parasites entre spires d'une bobine
- capacité entre les électrodes d'un quartz
La bouteille de Leyde
En 1745, à Leyde, ville de la Hollande méridionale, trois savants (dont Cuneus et son professeur Musschenbroeck) qui étudiaient les phénomènes d'électricité statique s'aperçurent que le dispositif qu'ils avaient confectionné à l'aide d'une bouteille était capable de stocker de l'énergie électrique. Il s'agissait simplement d'une bouteille contenant une feuille métallique A conductrice sur la face interne et sur la face externe de sa paroi de verre D. Il venaient de créer le premier condensateur de l'Histoire. Les feuilles métalliques sont appelées "armatures" et la paroi isolante en verre est le "diélectrique".
En reliant les deux armatures du condensateur à une source d'électricité statique, les charges électriques négatives (électrons) en provenance de la borne (-) de la source viennent s'agglutiner sur une des armatures tandis que les charges positives (manque d'électrons) se rassemblent sur l'autre armature. Le déplacement de charges très rapide au début diminue très rapidement. Un équilibre s'établit entre charges positives et charges négatives. Le condensateur est alors chargé.Un condensateur peut conserver trés longtemps sa charge si l'isolement entre les deux armatures est très grand. La quantité d'électrons (et de charges positives) enmagasinée est proposrtionnelle à la tension de la source d'électricité et à la "capacité" de stockage du condensateur.
Le condensateur plan
En utilisant deux armatures A en forme de plaques et une feuille d'isolant en guise de diélectrique D il est possible de réaliser un condensateur de grande capacité de stockage et de plus faible encombrement que la bouteille de Leyde. La capacité du condensateur est proportionnelle à la surface S commune aux deux armatures. Cette surface peut être augmentée en imbriquant plusieurs lames isolées entres elles. Un autre paramètre important est l'épaisseur du dièlectrique : plus cette épaisseur e est importante, plus faible est la capacité. Enfin, la nature de l'isolant utilisé comme diélectrique influe sur la capacité du condensateur.
Capacité d'un condensateur
La capacité C en farad d'un condensateur peut être calculée avec la formule :
avec :
S : surface de la plus petite des armatures en m²
e : épaisseur du diélectrique en m.
eo est la permittivité du vide et er est la permittivité ou constante diélectrique de l'isolant ().
En pratique on prendra eo égal à 8,85.10-12
Pour le vide er est égal à 1. L'air sec a une permittivité très proche de celle du vide.
En règle générale, plus la permittivité du diélectrique d'un condensateur est élevée moins elle est stable, ce qui implique que la capacité du condensateur pourra varier en fonction de la fréquence ou de la température.
Tension de service
Le diélectrique d'un condensateur ne peut supporter une tension infinie. La tension maximum d'isolement est fonction de l'isolant choisi et de l'épaisseur du diélectrique. Au delà il peut y avoir percement du diélectrique et claquage du condensateur. Certains isolants sont auto-cicatrisables, ils ne sont pas détruits aprés un claquage.
La faculté d'un milieu isolant de résister au claquage est appelée rigidité diélectrique. Elle est exprimée en kV/mm pour une épaisseur donnée car elle varie en fonction de l'épaisseur du diélectrique. Par exemple, la rigidité délectrique de l'air sec à température et pression normales est de 4,36kV/mm pour 1 mm d'épaisseur et 2,98kV/mm pour 10 mm d'épaisseur. L'hygrométrie et la température de l'isolant peuvent avoir un influence considérable sur la rigidité diélectrique, cette diminuant quant les premières augmentent.
La tension de service d'un condensateur est inférieure d'environ 20% à sa tension maxi d'utilisation.
Charge et énergie stockée dans un condensateur
La charge qui peut être emmagasinée dans un condensateur de capacité C en farad est donnée par la formule :
avec Q en coulomb et U la tension en volts aux bornes du condensateur.
Définition du farad : capacité d'un condensateur contenant 1 coulomb sous 1 volt.
L'energie stockée en joules peut être calculée avec :
Exemple : un condensateur de 100µF chargé à une tension de 300 V contient 0,03 coulombs et 4,5 joules.
Les condensateurs invisibles
On rencontre très souvent dans les circuits HF des condensateurs qui ne sont pas considérés comme composants proprement dits et que l'on désigne sous le terme de capacité (voire capacités parasites),
par exemple:
- capacités réparties dans une ligne - capacités parasites entre spires d'une bobine
- capacité entre les électrodes d'un quartz
