Condensateur à plaques parallèles

Un condensateur à plaques parallèles possède deux plaques conductrices de même surface, qui font office d'électrodes. L'une des plaques agit comme l'électrode positive, tandis que l'autre agit comme l'électrode négative lorsqu'une différence de potentiel est appliquée au condensateur. Les deux plaques sont séparées par un espace qui est rempli d'un matériau diélectrique. Les matériaux diélectriques sont électriquement isolants et non conducteurs, ce qui signifie qu'ils ne conduisent pas le courant et peuvent retenir les charges électrostatiques tout en émettant une énergie minimale sous forme de chaleur ou de courants de fuite.

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    Lesmatériaux diélectriques ont la capacité de se polariser électriquement.

    Lapolarisation électrique est la tendance des molécules d'un matériau à obtenir un moment dipolaire électrique lorsque le matériau est placé dans un champ électrique externe.

    Comment fonctionne un condensateur à plaques parallèles ?

    Les charges électriques du matériau sont séparées proportionnellement au champ électrique, ce qui crée deux pôles, un négatif et un positif.

    Le processus de polarisation électrique est similaire à la magnétisation, où un dipôle magnétique est induit dans un matériau magnétique lorsqu'il est placé près d'un aimant.

    Par conséquent, lorsque des matériaux diélectriques sont placés dans un champ électrique externe, le moment dipolaire qui est induit par unité de volume du matériau diélectrique est également connu sous le nom de polarisation électrique. Ce phénomène est décrit par l'équation ci-dessous, où k est la constante diélectrique sans dimension, E la permittivité du matériau et Eo la permittivité du vide, qui est d'environ 8,85 × 10-12 farad par mètre (F/m).

    k = E E 0 k=EE0

    Les deux plaques du condensateur à plaques parallèles sont connectées à une alimentation électrique. La plaque qui est reliée à la borne positive de la batterie acquiert une charge positive, tandis que la plaque qui est reliée à la borne négative acquiert une charge négative. Cela se produit parce que le pôle positif pousse les électrons vers la plaque opposée. En raison de l'attraction entre les charges positives et négatives acquises dans les plaques positives et négatives, les charges sont stockées à l'intérieur des plaques du condensateur.

    Des lignes de champ électrique se forment entre les deux plaques, des charges positives aux charges négatives, comme le montre la figure 1. La polarisation du matériau diélectrique des plaques par le champ électrique appliqué augmente la charge de surface du condensateur proportionnellement à l'intensité du champ électrique dans lequel il est placé.

    Condensateur à plaques parallèles, Configuration du condensateur à plaques parallèles, StudySmarterFigure 1. Configuration d'un condensateur à plaques parallèles. Source : toppr.com.

    Comme les deux plaques sont chargées, la charge négative de l'une d'entre elles réduit la charge négative de l'autre. D'autre part, la charge positive sur l'une des plaques augmente la différence de potentiel entre les plaques. Cependant, la charge négative sur la plaque chargée négativement a plus d'impact, donc plus de charge peut être donnée à la plaque chargée positivement. Lorsqu'une tension V est appliquée au condensateur, une charge Q est stockée. C'est le principe du condensateur à plaques parallèles.

    Condensateur à plaques parallèles : Dérivation

    Les deux plaques d'un condensateur à plaques parallèles sont séparées par une distance d mesurée en m, qui est remplie d'air atmosphérique. La surface de la section transversale de chaque plaque A est mesurée en m2. Le champ électrique E de chaque plaque est égal à ce qui suit, où σ est la densité de surface.

    E=σ2·ε0 σ=qAE=q A·ε0

    Si la différence de potentiel entre les deux plaques est égale à V, lorsque nous substituons l'équation trouvée pour le potentiel électrique, nous obtenons :

    E=Vd V=E·dV=d·qε0·Α

    Maintenant, en substituant la capacité à la tension dérivée, on obtient :

    C=qV=q·ε0·Aq·d C [F]=ε0·Ad

    On constate que la capacité dépend de la distance entre les plaques. La charge stockée est proportionnelle à la surface et inversement proportionnelle à la distance. Cela peut également être validé en considérant les caractéristiques de la force de Coulomb, où les charges semblables se repoussent et les charges contraires s'attirent. La force entre les charges diminue avec la distance. Plus les plaques sont grandes, plus la capacité de stockage des charges est importante car les charges se répartissent davantage. Ainsi, la charge stockable augmente lorsque la surface augmente également. De même, plus les plaques sont proches, plus la force d'attraction entre les charges opposées est importante, de sorte que la capacité devrait être plus grande lorsque la distance est réduite.

    Condensateur à plaques parallèles : Courants de fuite

    Une charge donnée est fournie à chaque plaque. Comme il n'existe pas de matériau diélectrique idéal qui puisse retenir parfaitement la charge, l'augmentation du potentiel entraîne des courants de fuite, qui font que le condensateur se décharge de manière indésirable une fois qu'il est déconnecté du circuit.

    La durée pendant laquelle un condensateur peut conserver une charge dépend de la qualité du matériau diélectrique utilisé dans le condensateur.

    Condensateur à plaques parallèles : Champ électrique

    Dans un condensateur à plaques parallèles, lorsqu'une tension est appliquée entre deux plaques conductrices, un champ électrique uniforme se crée entre les plaques. Cependant, sur les bords des deux plaques parallèles, au lieu d'être parallèles et uniformes, les lignes du champ électrique sont légèrement courbées vers le haut en raison de la géométrie des plaques. C'est ce qu'on appelle l'effet de frange ou de bord (voir figure 2).

    L'intensité du champ électrique d'un condensateur est directement proportionnelle à la tension appliquée tout en étant inversement proportionnelle à la distance entre les plaques.

    Condensateur à plaques parallèles, frange du champ électrique sur les bords des deux plaques, StudySmarterFigure 2. Diagramme montrant l'effet de frange du champ électrique sur les bords des deux plaques.

    Utilisation des condensateurs à plaques parallèles

    L'utilisation des condensateurs va du filtrage des parasites à la réception radio au stockage de l'énergie dans les défibrillateurs cardiaques :

    • Stockage de l'énergie et protection du circuit contre les pointes de tension inhabituelles ou toute interruption du circuit.
    • Traitement des signaux électroniques.
    • Suppression et couplage.
    • Démarreurs de moteurs utilisés dans les pompes et les compresseurs tels que les compresseurs de réfrigérateurs.

    La raison pour laquelle les condensateurs ne peuvent pas être utilisés comme des batteries est qu'ils ne peuvent pas conserver l'énergie pendant longtemps en raison des courants de fuite.

    Tu peux fabriquer un condensateur à plaques parallèles à la maison en utilisant deux feuilles de papier collées l'une à l'autre, avec une feuille d'aluminium collée de chaque côté du papier. Tu dois ensuite fixer des fils de cuivre dans les coins supérieur droit et inférieur gauche et relier chaque fil aux électrodes d'une pile.

    Un condensateur à plaques parallèles a une capacité de 5 mF. Détermine la capacité après que la distance qui les sépare a été réduite à un tiers de la distance initiale, et que l'espace entre les deux plaques a une constante diélectrique de 7.

    Solution :

    Nous dérivons une expression reliant la capacité donnée et la nouvelle capacité avec la distance réduite.

    C1=k·ε0·Αd=5 mFC2=k·ε0·Αd/3=3·C1 C2=3·5 = 15 mF

    Un condensateur de longueur au carré est un condensateur qui a la même largeur et la même longueur. Par conséquent, sa surface peut être calculée par le carré de la longueur.

    Détermine la surface du condensateur si la différence de potentiel entre les plaques est de 0,5 V, la distance entre les plaques est de 3 mm et une charge de 1,2 ⋅ 10-9 C est stockée dans le condensateur.

    Solution:

    Nous utilisons l'équation qui relie la différence de potentiel à la surface. Ensuite, nous substituons en utilisant les valeurs données en unités SI.

    V=dqε0·ΑΑ=0.003·1.2·10-98.85·10-12·0.5 m2=0.814 m2

    Condensateur à plaques parallèles - Principaux enseignements

    • Un condensateur à plaques parallèles est un dispositif qui stocke la charge.
    • Les condensateurs à plaques parallèles comportent deux plaques fabriquées à partir de matériaux conducteurs.
    • Les condensateurs stockent la charge par polarisation électrique.
    • Les condensateurs à plaques parallèles ont un large éventail d'applications, telles que les démarreurs de moteurs, les processeurs de signaux, les compresseurs, etc.
    Questions fréquemment posées en Condensateur à plaques parallèles
    Qu'est-ce qu'un condensateur à plaques parallèles ?
    Un condensateur à plaques parallèles est un composant électrique qui consiste en deux plaques conductrices séparées par un isolant. Il stocke l'énergie électrique.
    Comment fonctionne un condensateur à plaques parallèles ?
    Le condensateur à plaques parallèles fonctionne en accumulant des charges opposées sur chaque plaque, créant ainsi un champ électrique entre elles.
    Comment calculer la capacité d'un condensateur à plaques parallèles ?
    Pour calculer la capacité, utilisez la formule C = ε₀εrA/d, où ε₀ est la constante de permittivité du vide, εr la permittivité relative, A la surface des plaques et d la distance entre elles.
    Quel est l'usage principal d'un condensateur à plaques parallèles ?
    L'usage principal d'un condensateur à plaques parallèles est de stocker de l'énergie électrique et de la relâcher au besoin dans les circuits électroniques.

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    Laquelle des applications suivantes n'est pas une application pour un condensateur à plaques parallèles ?

    Qu'est-ce que l'effet de frange ?

    Comment construire un condensateur à plaques parallèles ?

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