Condensateur à plaques parallèles

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=\frac{E}{E_0}$$k=\frac{E}{E_0}$

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.

Figure 1. Configuration d'un condensateur à plaques parallèles. Source : toppr.com.

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.

$$\begin{gathered} E=\frac{\sigma }{2·{\epsilon }_0} \\ \sigma =\frac{q}{A}\Rightarrow E=\frac{q}{A·{\epsilon }_0} \end{gathered}$$

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 :

$$\begin{gathered} E=\frac{V}{d}\Rightarrow V=E·d \\ V=d·\frac{q}{{\epsilon }_0·{\rm A}} \end{gathered}$$

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

$$\begin{gathered} C=\frac{q}{V}=\frac{q·{\epsilon }_0·A}{q·d} \\ C\left[F\right]=\frac{{\epsilon }_0·A}{d} \end{gathered}$$

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.

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.

Figure 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.

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.