Condensateur : introduction - Cours d'Electricité avec Maxicours

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Condensateur : introduction

Le condensateur est un autre composant largement utilisé dans les circuits électriques et électroniques.
D'une façon similaire à la bobine, le condensateur placé dans un circuit à courant alternatif s'oppose, par sa capacité, à la variation de tension appliquée à ses bornes, en présentant une réactance capacitive.
Cette opposition provoque dans le condensateur un déphasage qui se produit entre la tension et le courant.

1. La construction d'un condensateur
Un condensateur est constitué de deux plaques conductrices, communément appelées armatures, placées parallèlement, face à face et séparées par un matériau diélectrique (non conducteur), comme l'air, le mica, le papier paraffiné, etc.

Illustration animée : Modèle de construction d'un condensateur.

Les matériaux couramment utilisés dans les condensateurs sont :

  • le mica,
  • le papier,
  • la céramique,
  • l'air.

Les condensateurs construits avec ces matériaux sont dits non polarisés pour les distinguer des condensateurs électrolytiques.
Dans les condensateurs électrolytiques, le matériau diélectrique est une mince couche d'oxyde moléculaire. Dans le but de conserver l'action électrolytique de cette couche, la polarité des condensateurs est marquée sur leurs bornes.

2. Capacité

La capacité est la grandeur caractéristique d'un condensateur. Elle correspond, en fait, au pouvoir qu'a ce dernier d'emmagasiner de l'énergie. Ce pouvoir dépend directement de la construction de chacun des condensateurs.
Chaque condensateur est caractérisé par sa capacité. Plus sa capacité est grande, plus le condensateur peut emmagasiner de l'énergie. La valeur de capacité d'un condensateur est calculée à partir de sa dimension physique et des matériaux utilisés pour sa construction.

La formule suivante peut être utilisée pour calculer la capacité d'un condensateur :

Où : C : capacité en farads (F)
      
S : surface des plaques en mètres carrés (m2)
      
d : distance entre les deux plaques en mètres (m)
      
er : constante diélectrique correspondant au matériau séparant les deux plaques

Les constantes diélectriques de quelques matériaux sont les suivantes :

La capacité d'un condensateur est symbolisée par C et son unité de mesure est le farad (F), donné en l'honneur du physicien anglais Michael Faraday. La représentation graphique d'un condensateur telle qu'elle apparaît dans les dessins de circuits électriques est :

 
Dans le domaine du commerce, deux notations sont utilisées par les fabricants de condensateurs :

• µF (10-6 F);

• pF (10-12 F).

La capacité d'un condensateur peut être mesurée de façon précise par un capacimètre. Par ailleurs, l'état de fonctionnement d'un condensateur peut être vérifié à l'aide d'un ohmmètre.

Lorsqu'un ohmmètre est branché aux bornes d'un condensateur en bon état:

  • la lecture de la résistance montre une valeur qui augmente graduellement pour s'arrêter à un niveau de l'ordre de méga-ohms.

Si un condensateur est défectueux à la suite d'un court-circuit entre les deux plaques ou d'une détérioration du matériau isolant qui sépare les plaques:

  • la lecture de l'ohmmètre indiquera respectivement zéro ou une très faible valeur de résistance.
3. Réactance capacitive
a. Symbole, unité et calcul

Lorsqu'un condensateur est placé dans un circuit à courant alternatif, il s'oppose à la variation de tension qui se trouve à ses bornes en présentant une réactance capacitive.

La valeur de la réactance capacitive d'un condensateur est déterminée par sa capacité et la fréquence de la tension appliquée à ses bornes.

La réactance capacitive, symbolisée par XC, est exprimée mathématiquement par la formule suivante : . Où :

XC : réactance capacitive en ohms
Pi : la constante 3,14
: fréquence du courant alternatif en hertz (Hz)
: capacité du condensateur en farads (F)
 : pulsation du courant alternatif en radians par seconde (rad/s)

Exemple de l'application de cette formule :
Calculer la réactance capacitive, en ohms, d'un condensateur dont la capacité est de 1 000 µF lorsqu'une tension alternative d'une fréquence de 50 Hz est appliquée à ses bornes.
Formule pour calculer la réactance capacitive : .

Où : Pi = 3,14, f = 50 Hz, C = 1 000 µF.

Ou :

Donc :

La réactance capacitive du condensateur est égale à 3,18 Ohms.

Analyse des résultats:
La valeur de la réactance capacitive dépend:

  • de la fréquence du courant alternatif;
  • et de la capacité du condensateur.

Étant donné que la capacité d'un condensateur est une valeur fixe, la réactance capacitive ne peut varier qu'en fonction de la fréquence du courant alternatif.

b. Réactance capacitive: Comportement en fonction de la fréquence

Lorsqu'un condensateur est placé dans un circuit à courant alternatif, sa réactance capacitive dépend de la fréquence de la tension à ses bornes.

Par conséquent, on peut dire que si la fréquence varie, la réactance capacitive variera aussi mais d'une façon inversement proportionnelle:

  • l'augmentation de la fréquence implique une diminution de la réactance capacitive,
  • alors que la diminution de la fréquence implique une augmentation de la réactance capacitive.

Grâce à l'application de la loi d'Ohm, la relation entre le courant, la tension et la réactance capacitive peut être représentée par les formules suivantes :

ou ou 

Où : VC : tension alternative aux bornes du condensateur en volts (V)
IC : courant alternatif qui traverse le condensateur en ampères (A)
XC : réactance capacitive du condensateur en ohms

Exemple de l'application de ces formules :
Lors de la mesure d'un circuit à courant alternatif, on a obtenu une lecture de tension de 220 volts aux bornes d'un condensateur dont la capacité est de 20 µF.
Calculez, en ampères (A), le courant du condensateur pour chacune des fréquences suivantes :

a) f = 50 Hz.

b) f = 120 Hz.

.

Solution

• Pour f = 50 Hz :

1e étape

Calcul de la réactance capacitive : formule pour le calcul : .

Où : Pi = 3,14, f = 50 Hz, C = 20 µF.

Donc : .

2e étape

Calcul du courant : formule pour le calcul : .

Où : VC = 220 volts et XC = 159,2 Ohms.

Donc : .

Lorsque la fréquence du circuit est à 50 Hz, le courant du condensateur est égal à 1,38 A.

• Pour f = 120 Hz :

1e étape

Calcul de la réactance capacitive : formule pour le calcul : .

Où : Pi = 3,14, f = 120 Hz, C = 20 µF.
Donc : .

2e étape

Calcul du courant : formule pour le calcul : .

Où : VC = 220 volts et XC = 66,35 Ohms.

Donc : .

Lorsque la fréquence est à 120 Hz, le courant du condensateur est égal à 3,32 A.

Analyse des résultats:
Vous pouvez constater que l'élévation de la fréquence a pour effet d'augmenter le passage du courant d'un condensateur:
Le courant d'un condensateur varie en proportion de la fréquence.
Cette raison explique pourquoi le condensateur est utilisé parfois dans les circuits électroniques pour éliminer des signaux (courants) de basse fréquence.

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