Le condensateur : introduction

Un condensateur est un composant en électronique qui a la capacité de stocker de l'énergie électrique. Il stocke cette électricité en fonction de la tension qu'il reçoit et ce de manière proportionnelle.

Il existe plusieurs façons de trouver la capacité d'un condensateur. Si ce n'est pas par le calcul, elle est souvent inscrite directement sur le condensateur. Il vous suffit alors de la déchiffrer. Attention au format des inscriptions, ce dernier vous donnera des indications sur l'unité et sur la valeur exacte du condensateur.

A quoi servent les condensateurs ?
Les condensateurs sont très présents dans les circuits électriques. Ils permette de lisser le courant. Ici, on en trouve dans une lampe à LED.

Selon sa capacité, un condensateur reçoit un marquage signifiant sa valeur.

La plupart du temps, le marquage respecte le schéma suivant XXY dans lequel la partie XX correspond à la valeur et Y à la puissance de 10 en picofarads de symbole pF.
Par exemple 122 correspondra à 12 x 102 pF.

Il peut aussi arrivé que l'on voit juste une valeur à deux chiffres. Il s'agit dans ce cas d'un marquage d'une valeur en microfarads de symbole µF.

Pour finir, quand les condensateurs sont assez gros et laissent la place pour une inscription complète, on retrouve la valeur ainsi que son unité directement marqués sur le condensateur en question.

Modélisation d'un condensateur

Pour modéliser un condensateur, il faut décrire certaines de ses caractéristiques à savoir la résistance, l'inductance, la valeur de la capacité et parfois l'effet de batterie ou encore l'hystérésis de charge du condensateur.

Relation idéale d'un condensateur

Le coefficient de proportionnalité entre la tension appliquée au condensateur et sa capacité est caractérisé par cette formule :

    \[ i = C \frac { \text { d } u } { \text { d } t } \]

avec :

  • i : intensité du courant électrique traversant le condensateur et exprimée en ampères de symbole A ;
  • C : capacité électrique du condensateur exprimée en farads de symbole F ;
  • u : tension électrique aux bornes du condensateur, exprimée en volts de symbole V ;
  • du/dt représente la dérivée de la tension par rapport au temps.
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C'est parti

Les utilités d'un condensateur

Les condensateurs sont utilisés dans moult domaines.

Stabilité

Les condensateurs peuvent être utilisés dans des installations électriques afin de "lisser" la tension d'un circuit. Dans ces conditions, le condensateur se chargera lors des pics de tension tout en se relâchant lors des baisses de tension. Cette dernière ne subissant pas de fluctuations du point de vue des appareils électriques du circuit et ainsi de leurs utilisateurs.

Ils sont donc présents dans de nombreux appareils ménagers que vous possédez chez vous :

  • Plaques de cuisson ;
  • Radiateurs ;
  • Chauffe-eau ;
  • Ordinateur ;
  • Bouilloire ;
  • Sèche cheveux ;
  • Etc.
A quoi sert un condensateur dans un ordinateur ?
Dans les cartes mères des ordinateurs, les condensateurs servent à protéger certains composants des surtensions.

Séparer les courants

On peut utiliser les condensateurs afin de séparer deux courants qui seraient présents simultanément : le courant alternatif et le courant continu. En effet, le courant continu ne peut passer à travers un condensateur car il ne se vide que quand sa capacité maximale est atteinte et ne peut donc pas délivrer le courant de façon continu.

Traiter les signaux

Les condensateurs sont capables de filtrer des signaux périodiques. Par exemple, dans une radio, le condensateur peut filtrer le signal sinusoïdale périodique de la radio FM.

Stocker

Dans le cas des super condensateurs, il peuvent être utilisés afin de stocker de l'énergie. En effet, leur grande capacité leur permet de retenir beaucoup d'énergie.

Liste des différents condensateurs existant

De nombreuses catégories de condensateurs existent en fonction de leurs utilisations. Les voici.

Les condensateurs polarisés

Les condensateurs que l'on appelle polarisés sont des condensateurs pour lesquels la polarité du courant électrique qui les traverse a une incidence. En effet, disposant d'une borne négative et une borne positive, ces condensateurs utilisent la technique dite électrolytique. Ces appareils demandent des précautions supplémentaires lors de leur utilisation. Pour cause, une erreur de sens de montage ou une inversion du sens du courant causera directement leur destruction qui peut avoir lieu de manière explosive et violente.

Les condensateurs électrolytiques

Ce type de condensateur est utilisé lorsque l'on recherche une grande capacité de stockage ainsi qu'une grande tolérance.
Lors de sa fabrication, les deux conducteurs ne sont pas isolés. C'est pourquoi ce type de condensateurs n'est pas parfait.

Sa structure est assez particulière : l'un de ses conducteur est métallique tandis que l'autre est en réalité une gelée conductrice dans laquelle est inséré un petit morceau de conducteur métallique. C'est lors de sa première utilisation et qu'une tension pénètre pour la première fois dans le condensateur qu'à lieu la réaction de l'électrolyse, d'où le nom de ce type de condensateur. Cette dernière crée alors une surface isolante à la surface du métal qui baignait dans la gelée. Cependant, cette technique a un inconvénient : la condensateur oppose une certaine résistance au courant à cause du fait que la gelée n'est pas aussi bonne conductrice d'énergie électrique que le métal.

Leur utilisation première est de filtrer les différents types de courants.

Les condensateurs non polarisés

Les condensateurs non polarisés sont en règle générale de petite valeurs de l'ordre du nanofarad ou microfarad. Ils sont pour la plupart en céramique et on les retrouve sur les petits circuits imprimés.

Les condensateurs au tantale

Les condensateurs au tantale se divisent en deux parties : les condensateurs au tantale à électrolyte solide et les condensateurs au tantale à électrolyte liquide.

Leur différence tient dans leurs composants : le condensateur au tantale à électrolyte solide est fabriqué avec une électrode en tantale et une électrode en dioxyde de manganèse. Pour le condensateur au tantale à électrolyte liquide, il y a toujours une électrode au tantale mais la seconde est un gel conducteur.

Les avantages de ces types de condensateurs sont une meilleure résistance, une résonance et une inductance amoindries. Le gel conducteur étant capable d'oxyder le tantale en cas de défaut dans l'électrode, cela confère au condensateur une capacité d'auto-cicatrisation, faisant de lui un appareil de qualité et résistance élevée.

Petit inconvénient notamment, le tantale est capable de s'enflammer si il est soumis à un trop fort courant, ce qui est un risque pour les personnes qui travaillent près de lui.

Les condensateurs synthétiques

Il existe des condensateurs fabriqués avec des matières synthétiques, principalement du plastique. A moindre coût, ils permette de découpler des signaux et de créer des filtres. En effet, ils sont utiles pour traiter des signaux très faibles car les matériaux synthétiques n'ont pas d'effet de batterie.

On utilise par exemple le polystyrène ou le polyéthylène pour la fabrication de condensateurs synthétiques.

Les super condensateurs

Les super condensateurs sont des condensateurs de niveau supérieur qui offrent énormément de puissance sur un laps de temps court. C'est le milieu parfait entre les condensateurs à électrolyse simples et les batteries.

Ils sont formés de cellules en série-parallèle qui permettent de délivrer de grandes quantités d'énergies de manière encore plus rapide qu'une batterie traditionnelle.

Comment fonctionne un flash ?
Les flash d'appareils photo puisent leur puissance dans les condensateurs.

Ce tableau récapitule les différentes puissances et énergies délivrées par les piles, batteries et condensateurs.

 Super conducteurCondensateur électrolytiqueBatteriePile à
combustible
Densité de puissance en W/kgDe 1000 à 5000100000150120
Densité d'énergie
en Wh/kg
De 4 à 60,1De 50 à 1500De 150 à 1500

Fonctionnement

Les super condensateurs sont constitués de deux électrodes en matière poreuses qui sont fabriquées avec du charbon actif additionné d'électrolyte.

Utilisations

Les super conducteurs ont de l'avenir dans un domaine très en vogue actuellement : les voitures électriques. Il permet de jouer le rôle de tampon entre le variateur de vitesse et les batteries de la voiture. Il par contre utilisé depuis de nombreuses années pour stocker de l'énergie et ce à l'épreuve des conditions climatiques difficiles telles que le froid ou la pluie.

Les condensateurs à capacité variable

Certains condensateurs sont capables d'appliquer une capacité variable par le biais d'un bouton. Ils sont utilisés pour des utilisations en circuits RLC. Ils jouent alors le rôles de filtres réglables au besoin.

Notions supplémentaires à connaître

Intensité

L'intensité d'une branche dans laquelle est présent un condensateur n'a pas de dépendance directe avec la tension aux bornes de ce dernier mais avec plutôt avec la variation.

Elle se calcule avec les équations suivantes :

    \[ i = \frac {dq} {dt} \]

    \[ q = C \cdot u \]

    \[ i = C \cdot \frac {du} {dt} \]

où :

  • q est la charge de l'armature en coulombs ;
  • t est le temps en secondes ;
  • C est la capacité du condensateur en farads.

Impédance

L'impédance électrique est la mesure de l'opposition d'un circuit électrique au passage du courant alternatif en son sein. L'impédance vient de la loi d'Ohm.

On peut mesurer facilement l'impédance d'un condensateur en fonction de la tension qui l'alimente grâce à cette fonction du temps :

    \[ Z = \frac { U } { I } = \frac {I} {C \omega } \]

où :

  • U est la tension du circuit en volts ;
  • I est l'intensité du circuit en ampères.

On peut aussi déterminer l'impédance complexe avec une transformation complexe de l'expression précédente :

    \[ \underline{Z} = \frac { \underline { U } } { \underline { I } } = \frac {I} {C \omega } \]

L'humain et l'impédance

Lorsque l'on se trouve dans le cas où un courant alternatif traverse le corps humain, on ne parle plus de résistance mais plus précisément d'impédance. En effet, les tissus constituant le corps peuvent alors être représentés par une succession de résistances R et de réactances, c'est à dire inductances et capacités, X. Ce tout permet alors de définir l'impédance sous la forme suivante :

    \[ Z ^ { 2 } = R ^ { 2 } + X ^ { 2 } \]

En effet, cette impédance Z du corps humain est le résultat de la somme des impédance de la peau ou des muqueuses aux différents points de contacts noté Zp1 et Zp2 mais aussi de l'impédance interne des tissus notée Zi.

En ce qui concerne de façon plus précise l'impédance interne, celle-ci est plus ou moins identique chez une personne. Une différence peut néanmoins être observée si la surface de contact est très faible : dans ce cas, l'impédance interne augmente.

De ce fait, la résistance totale décroît de façon très rapide lorsque l'intensité du courant, quant à elle, augmente.

Association de plusieurs condensateurs

En série

Quand on place deux condensateurs en série soumis à la même tension, la charge stockée par chacun des deux condensateurs est la même.

    \[ Q = Q _ { 1 } = Q _ { 2 } = C _ { 1 } U _ { 1 } = C _ { 2 } U _ { 2 } = C _ { e q } U \]

En parallèle

Quand on place deux condensateurs en parallèle soumis à la même tension, le courant qui traverse l'ensemble des condensateurs est la somme des courants qui traversent chacun des condensateurs.

    \[ Q = Q _ { 1 } + Q _ { 2 } = C _ { 1 } U + C _ { 2 } U = ( C _ { 1 } + C _ { 2 } ) U = C _ { e q } U \]

    \[ C _ { e q } = C _ { 1 } + C _ { 2 } \]

Dans ces montages, la tension maximale que peut supporter le montage est la tension maximale du condensateur dont elle est la plus faible.

Exercice : Condenser les conducteurs dipolaires

Le condensateur est composé de deux armatures conductrices séparées par un isolant: le diélectrique.

  • CuAB(t) = qA(t)
    • C est en F ; uAB en V ; qA en C.
  • En continu: I = Q/Δt
  • En variable: i(t) = + (dqA(t))/dt => lorsque le condensateur est en convention récepteur.

Le régime transitoire est le moment de la charge du condensateur.

Si R augmente alors la durée du régime transitoire augmente. Ce qui est de même si C augmente.

  • Constante de temps du dipôle RC: τ = RC
    • τ est en s ; R en Ω ; C en F.

uc(τ) = 0,63E

D'après la loi d'additivité: E = uR+uC

On en déduit l'équation différentielle de la charge du dipôle RC:

  • E = RC((duc)/dt)+uc
    • Avec E en V ; RC en s ; duc en V; dt en s et uc en V.

La solution de cette équation différentielle est:

  • uc = E(1-e-t/RC)
  • i = u/R

Lorsque la masse du GBF n'est pas reliée à la terre, on parle de masse flottante.

L'équation différentielle de la décharge est :

  • 0 = RC(duc/dt)+uc
  • L'énergie électrique du condensateur: Eel = 0,5Cu²

Les circuits RC : résistance et condensateur

Définition d'une résistance

La résistance désigne la capacité physique d'un matériau à s'opposer au passage d'un courant électrique sous une certaine tension. C'est de là que sont nés les composants électriques appelés les résistances.

Qu'y a-t-il dans un circuit RLC ?
Les circuits RLC sont des circuits électriques composés d'une résistance, d'un condensateur et pour finir une bobine.

Notations

Une résistance est habituellement représentée par un rectangle et se note R, K ou M selon sa capacité. R représente les ohms, K les kiloohms et pour finir, M les Megohms.

Un code couleur est appliqué sur les résistances afin de connaître leur valeur. Voici un tableau qui regroupe toutes les couleurs que vous pourrez retrouver sur les résistances :

 Premier anneau de gaucheDeuxième anneau de gaucheTroisième anneau de gaucheDernier anneau de gaucheAnneau de droite
CouleurPremier chiffreDeuxième chiffreTroisième chiffreMultiplicateurTolérance
Noir000120 %
Marron111101 %
Rouge2221022 %
Orange333103
Jaune444104
Vert5551050,5 %
Bleu6661060,25 %
Violet7771070,10 %
Gris8881080,05 %
Blanc999109
Or10-15 %
Argent10-210 %
Absent20 %

Composition

Une résistance peut-être composée de divers matériaux selon qu'elle soit de faible ou haute puissance.

Par exemple, les résistances de moins de 2 W sont constituées de carbone et de céramique. Ce type de résistance a pour avantage de générer très peu de bruit thermique, ce qui en fait un élément de choix dans les circuits audio.

Les résistances faites pour supporter des puissances supérieures seront quand à elles fabriquées à l'aide d'un cylindre de céramique sur lequel sera enroulé un fil conducteur.

Pour finir, les résistances à très hautes puissance sont constituées de solution aqueuse contenant des ions cuivre et qui ralentissent grandement le passage du courant électrique.

L'influence d'une résistance dans un circuit RC

Plus la résistance dans un circuit augmente, plus l'intensité du courant électrique dans ce circuit diminue.

Ce résultat a de nombreuses applications :
Dans des circuits électroniques, on utilise souvent des résistances pour limiter l'intensité du courant. Les bagues colorées dont elles sont cerclées indiquent, grâce à un code de couleurs, la valeur approximative de la résistance.
Pour faire varier le volume sonore des baladeurs, on fait varier la résistance du circuit qui alimente le haut-parleur.

Une résistance peut-être composée de divers matériaux selon qu'elle soit de faible ou haute puissance.

Par exemple, les résistances de moins de 2 W sont constituées de carbone et de céramique. Ce type de résistance a pour avantage de générer très peu de bruit thermique, ce qui en fait un élément de choix dans les circuits audio.

Les résistances faites pour supporter des puissances supérieures seront quand à elles fabriquées à l'aide d'un cylindre de céramique sur lequel sera enroulé un fil conducteur.

Pour finir, les résistances à très hautes puissance sont constituées de solution aqueuse contenant des ions cuivre et qui ralentissent grandement le passage du courant électrique.

L'humain et la résistance

Il est important de savoir que la résistance du corps humain, et donc son opposition au passage du courant, est composée de façon générale par plusieurs autres résistances disposées en série ou en parallèle selon le trajet du courant. On peut alors définir la valeur de la résistance du corps humain en utilisant la loi d'Ohm

La résistance du corps humain (c'est-à-dire son opposition au passage du courant) est elle-même composée de plusieurs résistances en série ou en parallèle selon le trajet du courant, défini par la loi d'Ohm.

La variation de la résistance du corps humain

La résistance du corps humain, ou encore son impédance, peuvent varier selon différents facteurs qui sont :

  • Le trajet du courant et, de façon plus précise, les points de contacts
  • La surface de contact cutanée ainsi que la surface de section des structures qui vont être traversée par le courant. En effet, puisque la résistance est inversement proportionnelle à cette surface, plus la surface est petite, plus la résistance sera importante.
  • Les temps de contact : plus la durée de contact avec le courant est élevée, plus les lésions seront profondes et graves
  • L'état de la surface de contact. En effet, plus la peau est fine et humide, plus la résistance va diminuer. Par exemple, une peau épaisse, sèche est de 2 . 106 Ω contre 500 Ω pour une peau fine et humide.

Pour ce qui est des tissus biologiques, leur résistance est variable bien que généralement faible. De plus, si le tissu brûle, alors sa résistance augmente.

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Joy

Freelancer et étudiante en Sciences de la Vie et de la Terre, je suis un peu une grande sœur qui épaule et aide les autres pour observer et comprendre le monde qui nous entoure et ses curieux secrets !