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Le condensateur : électrostatique

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Le condensateur

Le condensateur, c'est quoi ?

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Deux conducteurs séparés par un isolant forment un condensateur !

condensateur symboles armatures
A gauche une représentation avec en rouge les 2 armatures conductrices séparées par un isolant en vert.
A droite, les symboles les plus usités
Il existe des condensateurs naturels

Lignes électriques formant un condensateur
voiture condensateur
Voir le cours sur la terre et le DDR pour plus d'infos
Condensateurs de redressement COsφ

Condensateur de cos phi
Ce sont les condensateurs utilisés sur le réseau électrique pour compenser le réactif produit par les moteurs et autres récepteurs inductifs. Voir conseils+
Condensateurs chimiques de filtrage

Condensateurs chimiques
Ces condensateurs sont utilisés pour filtrer le courant alternatif redressé par des ponts de diodesEn pointillés rouge le redressé double alternance, en bleu une fois filtré avec un condensateur
Sera abordé dans le cours sur les alimentation, lié en fin de coursSignal double alternance monophasé filtré
Condensateurs non polarisés : filtrage, découplage...

Condensateurs non polarisés
Ces condensateurs offrent une fonction de découplage en agissant comme un mini réservoir pour fournir une petite quantité d'électricité lors de transitionsPassage d'un état électrique 0 à 1 (– ou 0 au +). Ils peuvent aussi servir dans des oscillateurs pour fixer le temps d'oscillation...
Voici un des moyens de production de condensateurs

Réalisation industrielle de condensateurs
Des spirales en sandwich en 4 couches, avec l'inconvénient de se comporter comme une bobine à haute fréquence, voir CEM...
Les condensateurs 'peignes' n'ont pas cet inconvénient !

Condensateur vs accumulateur

Avantages du condensateur :
  • Supporte les court-circuit et la charge instantanée
  • Nombre de cycles charge/décharge quasiment infini
  • Existe en non-polarisé, certains supportent l'alternatif
  • Absence de matériaux rares et polluants
Inconvénients des condensateurs :
  • Capacité et densitéQuantité d'électricité à volume égal dérisoire...
    Sauf supercondensateurs, voir en fin du cours
    encore bien plus faible
  • Décharge exponentielle : tension non 'stableU décharge accumulateur vs condensateur
    A gauche en gris, la courbe d'un accumulateur au plomb, le lithium fait encore mieux ! A droite, un condensateur dans une résistance
    Cette courbe devient totalement linéaire en cas de décharge sous intensité constante
    '




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Charge et décharge du condensateur, U en retard, I en 'avance'


Vidéo : le condensateur est un 'accumulateur' parfaitSupporte (Si l'on peut fournir la puissance) la charge 'instantanée' et la décharge en cct !
Le nombre de cycle est quasiment infini ! Il pollue bien moins que les accus au lithium...
mais de très faible capacité !
Encore que d'ici quelques années, les super-condensateurs vus en fin de cours sont l'avenir du stockage !
Voici une analogie sur la déchargeanalogie décharge condensateur du condensateur.




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Charge et décharge : principe du condensateur

A la fermeture des interrupteurs, I devient maximum et si l'on néglige R fils :
A la fermeture, I est égal à Icc du générateur !
Cycle de charge du condensateur
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L'isolant, en vert, n'est pas traversé !
Vide, le condensateur possède des charges équilibrées représentées par autant de + que de sur chaque armature. Cet équilibre se modifie : par effet électrostatique, les conducteurs se voient en 'vis à visLes plaques conductrices, (c'est aussi vrai de simples fils mais bien moindre) par effet électrostatique se 'voient' ce qui leur permet de se polariser l'une par rapport à l'autre.
Si à vide, chacune étaient à 0 V, raccordée à, par exemple 10 V, l'une serait à '+5 V', la seconde à '–5 V' ce qui offre bien 10 V. En fait la référence étant l'isolant qui les sépare, c'est lui qui reste 'neutre à 0 V'
' et acceptent d'un coté d’engendrer une charge à condition que l'autre coté en fournisse autant, l'équilibre est maintenu !
I de décharge est dû à la résistance du galvanomètre, il est donc ici faible mais aurait pu, en cas de mise en cct, atteindre la même valeur que I de charge, la symétrie est parfaite...
Le sens du courant s'inverse quand le condensateur devient générateur !
Cycle de décharge du condensateur
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Analogie avec le condensateur

condensateur = volant d'inertie
Cliquez pour relancer
En alimentant un condensateur vide, on engendre une forte intensité avant de voir la tension augmenter à ses bornes.
Par là même, en lançant un volant d'inertie à l'arrêt, on engendre un fort couple avant qu'il ne prenne de la vitesse.
Contrairement à la bobine et au ressort qui, eux, restituent leur énergie dès la déconnexion ; condensateur et volant d'inertie vont conserverLe condensateur est en réalité sujet à l'auto-décharge en quelques jours ou quelques semaines. Le volant subira les frottements et ralentira plus rapidement... l'énergie emmagasinée.

Ci-dessous la restitution brutale en court-circuit pour le condensateur, avec un frein pour le volant :
SurintensitéI = C × U / t
t tend vers 0 donc I tend vers ∞ : l'infini
pour le condensateur.
Couple très élevé pour le volant...
Décharge brutale condensateur, volant inertie

En résumé le condensateur :
  • Ne produira jamaisAttention, le condensateur ne produit jamais de surtension, mais vous pouvez entendre cette erreur : sachez que ce sont les inductances, (incluant l'inductance naturelle des fils), qui provoquent la surtension, le condensateur ne fera que la stocker, quitte à ce qu'elle le détruise... de surtension
  • Peut engendrer une surintensité
  • Retarde la variation de tension à ses bornes




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De quoi dépend la capacité ?

La capacité en Farad Unité des condensateurs, unité très grande, (sauf supercondensateurs de 1 à + de 500 F...).
Les valeurs usuelles de condensateurs classiques vont de 1 pF (pF = 10^-12) à quelques µF (µF = 10^-6) pour les non polarisés.
Jusqu'à quelques centaines de milliers de µF pour les 'chimiques'
NB : le mF, milliFarad = 10^-3, n'est pas utilisé, attention aux composants 'mal' mentionnés !
c'est la quantité d'électricité :

QQ = Coulomb = 1 Ampère × 1 seconde = 1 Volt × 1 Farad (Coulomb) = I (Ampère) × t (seconde) = C (Farad) × U (Volts)
Un parallèle avec les accumulateurs : capacité en AhAmpère × heure ; exemple 40 Ah = 40 Ampère pendant 1 h ou 20 A pendant 2 h...
Pour fournir 1 A pendant 1 s un condensateur 100 000 µF (ce qui est déjà énorme) devra être chargé en 10 V : 0.1 F × 10 V = 1 A × 1 s = 1 Coulomb
La capacité augmente proportionnellement aux surfaces en 'vis à visLes plaques conductrices, (c'est aussi vrai de simples fils mais bien moindre) par effet électrostatique se 'voient' ce qui leur permet de se polariser l'une par rapport à l'autre.
Comme vu précédemment
'... Capacité proportionnelle à la surface des conducteurs
Cliquez sur l'image pour relancer l'animation
Lorsque l'épaisseur de l'isolant augmente, la capacité diminue mais la tension supportée augmente !Capacité inversement proportionnelle à l'épaisseur de l'isolant
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Destruction de l'isolant et explosion en cas de surtension ! claquage de l'isolant du condensateur en surtension
Cliquez sur l'image pour relancer l'animation
Repérer la polarité des polarisésUtilisé à l'envers, le condensateur polarisé explose pour moins de 10% de sa tension d'utilisation (donc ici pour -5 V) ! :
condensateur chimique 50µF
La patte la plus longue en haut représente le + alors que le – est fléché en bas de la photo




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Vidéo : mesure du condensateur par son impédance en sinusoïdal

Rouge : tension aux bornes du condensateur, Bleu : tension aux bornes de la résistance
Quand UR = UC ; ZC = ZRDans la vidéo, R = 250 Ω, C = 1 µF.
Quand les amplitudes rouge et bleu sont identiques :
ZC (Z du condensateur C) = 250 Ω !
ZR = R car R est une résistance pure
(hors déphasage) puisque l'intensité est commune (montage série).
Z Condensateur = 1 / (CValeur du condensateur en Farad × ωPulsation : 2 × π × f (Hertz))




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Cochez en vert les réponses exactes !...


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Crée le 15 / 05 / 2017, der. màj le 09 / 08 / 2018 par : Guillaume (Guillaume DUPAS)
Contributeur Guillaume DUPAS Gu5835e07c1389f
Cours vu 7328 fois
Difficulté : ★★★★☆
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