La capacité électrique est l'un des concepts de base de l'électrostatique. Ce terme fait référence à sa capacité à stocker une charge électrique. Vous pouvez parler de la capacité d'un seul conducteur, ou de la capacité d'un système de deux conducteurs ou plus. Les processus physiques impliqués sont similaires.
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Concepts de base relatifs à la capacité
Si un conducteur a reçu une charge q, un potentiel φ apparaît sur lui. Ce potentiel dépend de la géométrie et de l'environnement - pour différents conducteurs et conditions, la même charge provoquera un potentiel différent. Mais φ est toujours proportionnel à q :
φ=Cq
Le coefficient C et est appelé la capacité électrique. Si nous parlons d'un système de plusieurs conducteurs (généralement deux), une différence de potentiel ou une tension U apparaît lorsqu'une charge est donnée à un conducteur (la gaine) :
U=Cq, donc C=U/q
La capacité peut être définie comme le rapport entre la différence de potentiel et la charge résultante. L'unité de mesure de la capacité dans le SI est le Farad (anciennement appelé Farad). 1 F = 1 V/1k. La capacité de 1 farad est un système dans lequel le fait de donner une charge de 1 coulomb entraîne une différence de potentiel de 1 volt. 1 Farad est une valeur très importante. Dans la pratique, les valeurs fractionnaires - picofarads, nanofarads, microfarads - sont le plus souvent utilisées.
En pratique, cette combinaison permet d'obtenir une batterie capable de supporter une tension de claquage diélectrique plus élevée que celle d'une cellule individuelle.
Calcul de la capacité du condensateur
En pratique, les éléments les plus couramment utilisés avec une capacité nominale sont les suivants condensateurscomposé de deux conducteurs plats (bornes), séparés par un diélectrique. La formule pour calculer la capacité électrique d'un tel condensateur est la suivante :
C=(S/d)*ε*ε0
où :
- C est la capacité, F ;
- S est la surface des inserts, en mètres carrés ;
- d est la distance entre les couvertures, en m ;
- ε0 - constante électrique, constante, 8.854*10−12 F/m ;
- ε - permittivité diélectrique, valeur sans dimension.
A partir de là, il est facile de comprendre que la capacité est directement proportionnelle à la surface des couvertures et inversement proportionnelle à la distance entre les conducteurs. La capacité est également affectée par le matériau avec lequel les couvertures sont séparées.
Pour comprendre comment les quantités qui déterminent la capacité affectent la capacité d'un condensateur à stocker des charges, vous pouvez faire une expérience mentale pour créer un condensateur ayant la capacité la plus élevée possible.
- Vous pourriez essayer d'augmenter la surface des enroulements. Cela entraînerait une augmentation considérable de la taille et du poids de l'appareil. Afin de réduire la taille des couches avec le diélectrique qui les sépare, les couches sont enroulées (en tube, en briquette plate, etc.).
- Une autre solution consiste à réduire la distance entre les inserts. Il n'est pas toujours possible de positionner les conducteurs très près les uns des autres, car la couche diélectrique doit pouvoir supporter une certaine différence de potentiel entre les enroulements. Plus l'épaisseur est faible, plus la résistance électrique de l'espace isolant est faible. Si vous suivez cette voie, vous atteindrez un point où le condensateur n'a plus de sens en pratique - il ne peut fonctionner qu'à des tensions très basses.
- Augmenter la perméabilité électrique du diélectrique. Cette façon de faire dépend de la technologie de production actuelle. Le matériau isolant doit non seulement avoir une valeur de perméabilité élevée, mais il doit également avoir de bonnes propriétés diélectriques et maintenir ses paramètres dans la gamme de fréquences nécessaire (à mesure que la fréquence à laquelle le condensateur fonctionne augmente, les caractéristiques diélectriques diminuent).
Les condensateurs sphériques ou cylindriques peuvent être utilisés dans certaines applications spécialisées ou de recherche.
La capacité d'un condensateur sphérique peut être calculée selon la formule suivante
C=4*π*ε0 *R1R2/(R2-R1)
où R est le rayon des sphères et π=3.14.
Pour une conception de condensateur cylindrique, la capacité est calculée comme suit :
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l est la hauteur des cylindres, et R1 et R2 sont leurs rayons.
En principe, les deux formules ne diffèrent pas de la formule d'un condensateur plat. La capacité est toujours déterminée par les dimensions linéaires des bornes, la distance entre elles et les propriétés du diélectrique.
Connexion des condensateurs en série et en parallèle
Les condensateurs peuvent être connectés en série en série ou en parallèleen créant un ensemble avec de nouvelles caractéristiques.
Connexion parallèle
Si les condensateurs sont connectés en parallèle, la capacité totale de la batterie résultante est égale à la somme des capacités de tous ses composants. Si une batterie est constituée de condensateurs de même construction, on peut considérer qu'il s'agit de l'addition des surfaces de toutes les plaques. Dans ce cas, la tension aux bornes de chaque élément de la batterie sera la même et les charges s'additionneront. Pour trois condensateurs connectés en parallèle :
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
Connexion en série
Lorsqu'elles sont connectées en série, les charges de chaque capacité sont les mêmes :
q1=q2=q3=q
La tension totale est distribuée en proportion de capacité des condensateurs:
- U1=q/ C1;
- U2=q/ C2;
- U3= q/ C3.
Si tous les condensateurs sont identiques, une tension égale est appliquée à chacun d'eux. La capacité totale est trouvée comme :
C=q/( U1+U2+U3), donc 1/C=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/С2+1/С3.
Applications des condensateurs dans la technologie
Il est logique d'utiliser les condensateurs comme dispositifs de stockage de l'énergie électrique. En tant que tels, ils ne peuvent pas concurrencer les sources électrochimiques (batteries galvaniques, condensateurs) en raison de leur faible capacité de stockage d'énergie et de leur autodécharge plutôt rapide due à la fuite de charge à travers le diélectrique. Mais leur capacité à stocker l'énergie sur une longue période puis à la restituer presque instantanément est largement utilisée. Cette propriété est utilisée dans les lampes flash pour la photographie ou dans les lampes pour l'excitation des lasers.
Les condensateurs sont largement utilisés en radiotechnique et en électronique. Les condensateurs sont utilisés dans les circuits résonnants comme l'un des éléments retenant la fréquence des circuits (l'autre élément est l'inductance). La capacité des condensateurs à exclure le courant continu sans retarder la composante alternative est également utilisée. Cette utilisation est courante pour diviser les étages d'amplificateurs afin d'éliminer l'influence des modes continus d'un étage sur l'autre. Les condensateurs à haute capacité sont utilisés comme filtres de lissage dans les alimentations électriques. Il existe également un très grand nombre d'autres applications de condensateurs où leurs propriétés s'avèrent utiles.
Quelques conceptions pratiques de condensateurs
Diverses conceptions de condensateurs plats sont utilisées dans la pratique. La conception de l'appareil détermine ses caractéristiques et son domaine d'application.
Condensateur variable
Un type courant de condensateur variable (VAC) consiste en une banque de plaques mobiles et fixes, séparées par de l'air ou un isolant solide. Les plaques mobiles tournent autour d'un axe, augmentant ou diminuant la zone de recouvrement. Lorsque l'unité mobile est retirée, l'écart interélectrode reste inchangé, mais la distance moyenne entre les plaques augmente également. La constante diélectrique de l'isolant reste également inchangée. La capacité est ajustée en modifiant la surface des couvertures et la distance moyenne entre elles.
Condensateur à l'oxyde
Dans le passé, ce type de condensateur était appelé condensateur électrolytique. Il est constitué de deux bandes de feuille séparées par un diélectrique en papier trempé dans l'électrolyte. La première bande sert de gaine et la deuxième bande sert d'électrolyte. Le diélectrique est une fine couche d'oxyde sur l'une des bandes métalliques, et la seconde bande sert de collecteur de courant.
Le fait que la couche d'oxyde soit très fine et que l'électrolyte soit proche de celle-ci, il est possible d'obtenir une capacité suffisamment élevée avec une taille modérée. Le prix à payer pour cela est la faible tension de fonctionnement - la couche d'oxyde n'a pas une grande rigidité diélectrique. Si la tension de fonctionnement augmente, la taille du condensateur doit augmenter considérablement.
Un autre problème est que l'oxyde a une conductivité à sens unique, de sorte que de tels condensateurs ne sont utilisés que dans des circuits à courant continu en respectant la polarité.
Ionistor
Comme on l'a vu plus haut, les méthodes traditionnelles d'augmentation condensateurs ont des limites naturelles. La véritable percée a donc été le développement de l'ionistor.
Bien que ce dispositif soit considéré comme un intermédiaire entre un condensateur et une batterie, il s'agit toujours essentiellement d'un condensateur.
La distance entre les électrodes est considérablement réduite par l'utilisation d'une double couche électrique. Les couches sont des couches d'ions qui ont une charge opposée. Une mousse très poreuse permet d'augmenter considérablement la surface des couches. Il en résulte des supercondensateurs dont la capacité peut atteindre des centaines de farads. La maladie congénitale de ces appareils est une faible tension de fonctionnement (généralement inférieure à 10 volts).
L'évolution de la technologie s'est poursuivie - les lampes ont été remplacées par des transistors bipolaires dans de nombreuses applications, et ceux-ci ont à leur tour été remplacés par des triodes unipolaires. Dans la mesure du possible, on se passe des inductances dans la conception des circuits. Et les condensateurs n'abandonnent pas leurs positions pour le deuxième siècle, leur conception n'a pas fondamentalement changé depuis l'invention du pot de Leyde, et il n'y a aucune perspective de mettre fin à leur carrière.
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