Le condensateur électrique est un dispositif passif capable d'accumuler et de stocker de l'énergie électrique. Il est constitué de deux plaques conductrices séparées par un matériau diélectrique. L'application de potentiels électriques de signes différents à des plaques conductrices conduit à l'acquisition par celles-ci d'une charge positive sur une plaque et négative sur l'autre. Dans ce cas, la charge totale est de zéro.
Cet article traite des questions d'histoire et de la définition de la capacité d'un condensateur.
Histoire d'invention
En octobre 1745, le scientifique allemand Ewald Georg von Kleist remarqua qu'une charge électrique pouvait être stockée si un générateur électrostatique et une certaine quantité d'eau dans un récipient en verre étaient reliés par un câble. Dans cette expérience, la main et l'eau de von Kleist étaient des conducteurs et le récipient en verre était un isolant électrique. Après que le scientifique ait touché le fil métallique avec sa main, une décharge puissante s'est produite, qui a étébeaucoup plus fort que la décharge d'un générateur électrostatique. En conséquence, von Kleist a conclu qu'il y avait de l'énergie électrique stockée.
En 1746, le physicien néerlandais Pieter van Muschenbroek a inventé un condensateur, qu'il a appelé la bouteille de Leiden en l'honneur de l'université de Leiden où travaillait le scientifique. Daniel Gralat a ensuite augmenté la capacité du condensateur en connectant plusieurs bouteilles de Leiden.
En 1749, Benjamin Franklin a étudié le condensateur de Leyde et est arrivé à la conclusion que la charge électrique n'est pas stockée dans l'eau, comme on le croyait auparavant, mais à la frontière de l'eau et du verre. Grâce à la découverte de Franklin, les bouteilles de Leyde ont été fabriquées en recouvrant l'intérieur et l'extérieur de récipients en verre avec des plaques de métal.
Développement de l'industrie
Le terme "condensateur" a été inventé par Alessandro Volta en 1782. Initialement, des matériaux tels que le verre, la porcelaine, le mica et le papier ordinaire étaient utilisés pour fabriquer des isolants de condensateurs électriques. Ainsi, l'ingénieur radio Guglielmo Marconi a utilisé des condensateurs en porcelaine pour ses émetteurs, et pour les récepteurs - de petits condensateurs avec un isolant en mica, qui ont été inventés en 1909 - avant la Seconde Guerre mondiale, ils étaient les plus courants aux États-Unis.
Le premier condensateur électrolytique a été inventé en 1896 et était un électrolyte avec des électrodes en aluminium. Le développement rapide de l'électronique n'a commencé qu'après l'invention en 1950 d'un condensateur au tantale miniature avecélectrolyte solide.
Pendant la Seconde Guerre mondiale, à la suite du développement de la chimie des plastiques, des condensateurs ont commencé à apparaître, dans lesquels le rôle d'isolant était attribué à des films polymères minces.
Enfin, dans les années 50-60, se développe l'industrie des supercondensateurs, qui ont plusieurs surfaces conductrices de travail, grâce auxquelles la capacité électrique des condensateurs augmente de 3 ordres de grandeur par rapport à sa valeur pour les condensateurs conventionnels.
Le concept de capacité d'un condensateur
La charge électrique stockée dans la plaque du condensateur est proportionnelle à la tension du champ électrique qui existe entre les plaques de l'appareil. Dans ce cas, le coefficient de proportionnalité est appelé capacité électrique d'un condensateur plat. Dans le SI (Système international d'unités), la capacité électrique, en tant que grandeur physique, est mesurée en farads. Un farad est la capacité électrique d'un condensateur dont la tension entre les plaques est de 1 volt avec une charge stockée de 1 coulomb.
La capacité électrique de 1 farad est énorme, et dans la pratique en génie électrique et électronique, des condensateurs avec des capacités de l'ordre du picofarad, du nanofarad et du microfarad sont couramment utilisés. Les seules exceptions sont les supercondensateurs, qui sont constitués de charbon actif, ce qui augmente la zone de travail de l'appareil. Ils peuvent atteindre des milliers de farads et sont utilisés pour propulser des prototypes de véhicules électriques.
Ainsi, la capacité du condensateur est: C=Q1/(V1-V2). Ici C-capacité électrique, Q1 - charge électrique stockée dans une plaque du condensateur, V1-V2- la différence entre les potentiels électriques des plaques.
La formule de la capacité d'un condensateur plat est: C=e0eS/d. Ici e0et e est la constante diélectrique universelle et la constante diélectrique du matériau isolant S est la surface des plaques, d est la distance entre les plaques. Cette formule vous permet de comprendre comment la capacité d'un condensateur changera si vous changez le matériau de l'isolant, la distance entre les plaques ou leur surface.
Types de diélectriques utilisés
Pour la fabrication des condensateurs, différents types de diélectriques sont utilisés. Les plus populaires sont les suivantes:
- Aérien. Ces condensateurs sont deux plaques de matériau conducteur, qui sont séparées par une couche d'air et placées dans un boîtier en verre. La capacité électrique des condensateurs à air est faible. Ils sont généralement utilisés dans l'ingénierie radio.
- Mica. Les propriétés du mica (capacité à se séparer en feuilles minces et à résister à des températures élevées) conviennent à son utilisation comme isolant dans les condensateurs.
- Papier. Du papier ciré ou verni est utilisé pour protéger contre l'humidité.
Énergie stockée
À mesure que la différence de potentiel entre les plaques du condensateur augmente, l'appareil stocke de l'énergie électrique en raison dela présence d'un champ électrique à l'intérieur. Si la différence de potentiel entre les plaques diminue, le condensateur se décharge, donnant de l'énergie au circuit électrique.
Mathématiquement, l'énergie électrique stockée dans un type arbitraire de condensateur peut être exprimée par la formule suivante: E=½C(V2-V 1)2, où V2 et V1 sont la finale et l'initiale contrainte entre les plaques.
Charge et décharge
Si un condensateur est connecté à un circuit électrique avec une résistance et une source de courant électrique, le courant circulera dans le circuit et le condensateur commencera à se charger. Dès qu'il est complètement chargé, le courant électrique dans le circuit s'arrête.
Si un condensateur chargé est connecté en parallèle avec une résistance, alors un courant circulera d'une plaque à l'autre à travers la résistance, qui continuera jusqu'à ce que l'appareil soit complètement déchargé. Dans ce cas, la direction du courant de décharge sera opposée à la direction du flux de courant électrique lorsque l'appareil était en charge.
Charger et décharger un condensateur suit une dépendance temporelle exponentielle. Par exemple, la tension entre les armatures d'un condensateur lors de sa décharge évolue selon la formule suivante: V(t)=Vie-t/(RC) , où V i - tension initiale sur le condensateur, R - résistance électrique dans le circuit, t - temps de décharge.
Combinaison dans un circuit électrique
Pour déterminer la capacité des condensateurs disponibles danscircuit électrique, rappelons qu'ils peuvent être combinés de deux manières différentes:
- Connexion série: 1/Cs =1/C1+1/C2+ …+1/C.
- Connexion parallèle: Cs =C1+C2+…+C.
Cs - capacité totale de n condensateurs. La capacité électrique totale des condensateurs est déterminée par des formules similaires aux expressions mathématiques pour la résistance électrique totale, seule la formule pour la connexion en série des appareils est valable pour la connexion en parallèle des résistances et vice versa.
