Tout comme les batteries permettent le stockage d'énergie portable, les condensateurs permettent un stockage d'énergie temporaire et sont des composants essentiels de nombreux circuits.
Ils permettent de séparer de grandes quantités de charges les unes des autres et de les libérer en une soudaine explosion d'énergie, pour une utilisation dans des appareils tels que des appareils photo flash, ainsi que pour médiation d'autres processus électroniques tels que la conversion entre des sources d'alimentation CA et CC ou la charge et la décharge de champs magnétiques, ce qui est utile pour régler la radio gares.
Définition de la capacité
La capacité est une mesure de la capacité d'un matériau non conducteur à stocker de l'énergie en créant une séparation de charge à travers une différence de potentiel (tension). Le matériau doit être non conducteur, comme le verre ou un tuyau en PVC, car sinon les charges le traverseraient, incapables de rester séparées.
Mathématiquement, la capacité d'un objetCest égal au rapport de chargeQà la tensionV.
C=\frac{Q}{V}
L'unité SI de capacité est lafarad(F); gratuitement, leCoulomb(C); et de tension,volts(V).Le farad, du nom du pionnier de l'électromagnétisme Michael Faraday, est défini de telle sorte que 1 farad est égal à 1 colonne par volt, ou 1 F = 1 C/V.
Toute partie d'un circuit qui sépare la charge de cette manière est appelée uncondensateur. Ainsi, en suivant l'équation ci-dessus, toute capacité donnée d'un condensateurCconnecté à une batterie avec une différence de potentielV, stockera la charge électriqueQ.
Condensateurs à plaques parallèles
Un type courant de condensateur est uncondensateur à plaques parallèles. Dans un tel dispositif, deux plaques de matériau conducteur (comme un métal) sont maintenues, comme son nom l'indique, parallèles l'une à l'autre sur une certaine distance. Entre les plaques est unmatériau diélectrique, aussi appelé unmatériau isolant.
C'est quelque chose qui ne permet pas aux charges de le traverser et peut donc se polariser - les charges à l'intérieur réorienter pour que tous les positifs soient ensemble d'un côté et tous les négatifs de l'autre - en présence d'un domaine.
N'importe qui peut créer un simple condensateur à plaques parallèles en utilisant deux feuilles de métal comme plaques et plusieurs feuilles de papier comme isolant pris en sandwich entre elles.
La capacité d'un condensateur à plaques parallèles dépend de la surface d'une des plaques, ouUNE; la séparation entre euxré; et la constante diélectriqueκdu matériel entre eux de cette manière :
C = \dfrac{κε_0A}{d}
Le terme0 ("epsilon-naught") est lepermittivitéd'espace libre, qui est une constante égale à 8,854 × 10-12 farads par mètre (F/m). La constante diélectriqueκest une quantité sans unité qui peut être consultée dans un tableau, comme celui lié à cet article.
Autres types de condensateurs
Tous les types de condensateurs ne nécessitent pas de plaques parallèles. Certains sont cylindriques, comme un câble coaxial, ou sphériques, comme une membrane cellulaire (qui finit par retenir une charge en pompant des ions potassium positifs hors de la cellule et des ions chlorure négatifs dans celle-ci).
Un câble coaxial est largement utilisé pour fournir des données vidéo, audio et de communication. Sa conception cylindrique se compose de plusieurs couches de matériaux diélectriques isolants entre de solides feuilles conductrices, souvent du cuivre, le tout enroulé comme un rouleau de gelée.
Cela permet au câble de transporter même des signaux électriques faibles sans dégradation sur de longues distances. De plus, comme les couches isolantes et conductrices sont enroulées, un câble coaxial est capable de fournir ce stockage d'énergie dans un espace relativement petit - certainement dans un volume plus petit que les condensateurs à plaques parallèles pouvez.
Circuits télécommandés
Une application courante des condensateurs est dans un circuit RC, ainsi nommé car il contient une résistance et un condensateur. Supposons que deux composants du circuit soient connectés en parallèle, avec un commutateur permettant au circuit de se connecter dans l'une des deux boucles simples possibles: source de tension plus condensateur ou condensateur plus résistance.
Lorsque le condensateur est connecté à la source de tension, le courant circule dans le circuit et il commence à accumuler une charge stockée. Lorsque l'interrupteur est basculé et que le condensateur est connecté à la résistance, il se décharge et chauffe la résistance.
La tension, ou différence de potentiel, aux bornes du condensateur lorsqu'il est en charge est :
V_{condensateur} = V_{source}(1-e^{t/RC})
Où les deuxVcondensateuretVla sourcesont des tensions en volts ettest le temps en secondes. La constante de tempsRCest le produit de la résistance et de la capacité du circuit, ce qui implique que plus la résistance ou le condensateur est grand, plus il faudra de temps pour se charger ou se décharger. Son unité est également en secondes.
Dans le processus inverse (lors de la décharge), l'équation est similaire :
V_{condensateur} = V_{0}e^{-t/RC}
OùV0est la tension initiale chargée du condensateur avant qu'il ne commence à se décharger.
Parce que la charge prend du temps à s'accumuler et à se relâcher, et ce temps dépend des propriétés de éléments du circuit, un circuit RC est utile dans de nombreux appareils électriques qui nécessitent une précision Horaire. Quelques exemples courants sont: les appareils photo flash, les stimulateurs cardiaques et les filtres audio.
Exemples de calculs
Exemple 1: Quelle est la capacité d'un condensateur à plaques parallèles composé de deux 0,25 m2 plaques d'aluminium séparées de 0,1 m avec du téflon à 20 degrés Celsius ?
Compte tenu de l'aire d'une plaque, de la séparation et du matériau diélectrique, commencez par rechercher la constante diélectrique du téflon. À 20 degrés Celsius, il fait 2,1 (rappelez-vous, il n'a pas d'unités !).
Résolution de la capacité :
Exemple 2: combien de temps faudra-t-il pour charger un 100-µF (10-6 farads) à 20 V lorsqu'il est connecté à une batterie de 30 V et en circuit avec une résistance de 10 kΩ (1 000 Ohms) ?
Commencez par convertir la capacité et la résistance en leurs unités SI, puis calculez la constante de temps RC :
C = 100 µF = 0,0001 F
R = 10 kΩ = 10 000 Ω
RC = 0,0001 F × 10 000 = 1 seconde
Ensuite, en utilisant la formule pour un condensateur de charge et en résolvant le tempst:
V_{condensateur} = V_{source}(1-e^{t/RC}) \newline 20 V = 30 V(1-e^{t/1}) \newline 2/3 =1-e^t \ nouvelle ligne 1/3 = e^t \nouvelle ligne ln (1/3) = ln (e^t) \nouvelle ligne 1,1 secondes = t
Condensateurs vs. Batteries
Les condensateurs et les batteries peuvent sembler similaires car ils sont tous deux capables de stocker et de libérer une charge électronique. Mais ils ont plusieurs différences clés qui les amènent à avoir des avantages et des inconvénients différents.
Premièrement, un condensateur stocke de l'énergie dans un champ électrique chargé tandis qu'une batterie stocke de l'énergie dans des produits chimiques, la libérant par réaction chimique. En raison de ces différences matérielles, une batterie peut stocker plus d'énergie qu'un condensateur de même taille.
Cependant, la réaction chimique nécessaire pour libérer cette énergie est généralement plus lente que la libération de charges à travers le champ électrique dans un condensateur. Ainsi, un condensateur peut se charger et se décharger beaucoup plus rapidement qu'une batterie, fournissant plus d'énergie électrique en une courte période. Un condensateur est également généralement plus durable qu'une batterie, ce qui le rend plus respectueux de l'environnement.
Pour toutes ces raisons, les ingénieurs cherchent aujourd'hui à augmenter les limites de stockage des condensateurs et à diminuer les temps de charge et de décharge des batteries. Jusque-là, les appareils sont souvent utilisés ensemble. Par exemple, le flash d'un appareil photo et un stimulateur cardiaque utilisent tous deux une batterie et un condensateur pour fournir une énergie durableetle livrer en rafales rapides à des tensions plus élevées.
Applications
Les condensateurs sont souvent utilisés dans les circuits pour lisser ou atténuer les changements de tension qu'un appareil subirait autrement. Par exemple, la plupart de l'énergie fournie à une maison provient d'une alimentation en courant alternatif (CA), qui fournit une tension « irrégulière », mais la plupart des appareils ménagers nécessitent une alimentation en courant continu (CC).
Les condensateurs dans le mur aident à transformer le signal de courant alternatif en courant continu pour ces appareils. La tension entrante charge le condensateur, et lorsqu'il commence à passer à une tension inférieure, le condensateur commence à décharger une partie de son énergie stockée. Cela permet à l'appareil de l'autre côté de continuer à subir une tension plus constante qu'il ne le ferait sans le condensateur.
Les condensateurs sont également utiles dans les appareils où certaines fréquences de signaux électroniques peuvent avoir besoin d'être filtrées, par exemple un amplificateur radio ou un mélangeur audio. Par exemple, un condensateur dans le circuit peut diriger les sons basse et haute fréquence vers différentes parties d'un haut-parleur, telles que le subwoofer ou le tweeter. Ou, un haut-parleur radio utilisant des condensateurs pour séparer les fréquences peut en amplifier certaines mais pas d'autres, renforçant ainsi le signal de la station souhaitée sur laquelle la radio est syntonisée.
Découplage dans un circuit intégré.L'une des utilisations les plus omniprésentes d'un condensateur est dans un circuit intégré - le petit circuit carte contenant tous les composants électriques utilisés pour alimenter la plupart des appareils électroniques grand public, comme smartphones. Là, le condensateur sert en quelque sorte de bouclier, protégeant les autres composants électroniques des chutes de tension et agissant comme de petites sources d'alimentation temporaires lorsque l'alimentation est momentanément interrompue, comme souvent arrive.
Tout comme ils aident à fournir du courant continu aux appareils ménagers, les condensateurs tamponnent les changements de tension pour l'électronique au-delà d'eux dans le circuit; ils "absorbent" la tension supplémentaire et libèrent à leur tour leur tension excédentaire lorsque l'alimentation commence à baisser.
Les condensateurs de découplage dans les circuits intégrés suppriment spécifiquement les changements à haute fréquence de la tension (car ils peuvent absorber une partie du changement de tension qui les traverse). Il en résulte que les autres composants du circuit subissent une tension plus uniforme aux niveaux nécessaires à leur bon fonctionnement.
Condensateurs comme capteurs.Étant donné que la conception des condensateurs dépend des matériaux utilisés, qui à leur tour ont des propriétés conductrices différentes dans différentes conditions, les condensateurs sont des composants importants des capteurs électroniques.
Par exemple, un capteur d'humidité utilise un matériau diélectrique tel qu'un plastique ou un polymère qui modifie sa conductance de manière fiable avec l'évolution des niveaux d'humidité. Ainsi, en lisant la conductance aux bornes de ce diélectrique, le capteur en déduit l'humidité relative.
De même, certains capteurs de niveau de carburant, y compris ceux des avions, utilisent des condensateurs pour évaluer la quantité de carburant restant dans le réservoir. Dans ces dispositifs, le combustible lui-même sert de diélectrique. Une fois qu'il descend à un niveau suffisamment bas, la conductivité change et le pilote est alerté.
Les commutateurs capacitifs utilisés dans les appareils à écran tactile sont peut-être encore plus courants. Lorsque le doigt d'une personne touche un écran, il décharge une petite quantité de charge, modifiant ainsi la conductance de l'appareil de manière mesurable et localisée à un emplacement spécifique. Cela explique également pourquoi le port de gants interfère avec le défilement sur un smartphone - la laine ou le coton dans un gant est un excellent isolant, empêchant les charges dans les doigts de sauter sur l'écran.