La capacité est la valeur mesurée de la capacité d’un condensateur à stocker une charge électrique. Cette valeur de capacité dépend également de la constante diélectrique du matériau diélectrique utilisé pour séparer les deux plaques parallèles. La capacité est mesurée en unités de Farad (F), nommée ainsi d’après Michael Faraday.

Les condensateurs se composent de deux plaques conductrices parallèles (généralement en métal) qui sont empêchées de se toucher (séparées) par un matériau isolant appelé “diélectrique”. Lorsqu’une tension est appliquée à ces plaques, un courant électrique circule, chargeant une plaque avec une charge positive par rapport à la tension d’alimentation et l’autre plaque avec une charge négative égale et opposée.

Un condensateur a donc la capacité de stocker une charge électrique Q (unités en Coulombs) d’électrons. Lorsque le condensateur est complètement chargé, il existe une différence de potentiel (d.p.) entre ses plaques. Plus la surface des plaques est grande et/ou plus la distance entre elles (appelée séparation) est petite, plus la charge que le condensateur peut contenir sera importante, et plus sa Capacité sera grande.

La capacité d’un condensateur à stocker cette charge électrique ( Q ) entre ses plaques est proportionnelle à la tension appliquée, V, pour un condensateur dont la capacité est connue en Farads. Notez que la capacité C est TOUJOURS positive et jamais négative.

Plus la tension appliquée est grande, plus la charge stockée sur les plaques du condensateur sera importante. De même, plus la tension appliquée est faible, plus la charge sera faible. Par conséquent, la charge réelle Q sur les plaques du condensateur peut être calculée comme suit:

Charge sur un Condensateur

Où: Q (Charge, en Coulombs) = C (Capacité, en Farads) x V (Tension, en Volts)

Il est parfois plus facile de se souvenir de cette relation en utilisant des images. Ici, les trois quantités Q, C et V ont été superposées dans un triangle, avec la charge en haut et la capacité et la tension en bas. Cet arrangement représente la position réelle de chaque quantité dans les formules de Charge du Condensateur.

Et en transposant l’équation ci-dessus, nous obtenons les combinaisons suivantes de la même équation:

Unités de : Q mesuré en Coulombs, V en volts et C en Farads.

À partir de ce qui précède, nous pouvons définir l’unité de Capacité comme étant une constante de proportionnalité égale à coulomb/volt, qui est également appelée Farad, unité F.

Comme la capacité représente la capacité d’un condensateur à stocker une charge électrique sur ses plaques, nous pouvons définir un Farad comme la “capacité d’un condensateur qui nécessite une charge d’un coulomb pour établir une différence de potentiel d’un volt entre ses plaques” comme décrit pour la première fois par Michael Faraday. Ainsi, plus la capacité est grande, plus la quantité de charge stockée sur un condensateur pour une même quantité de tension est élevée.

La capacité d’un condensateur à stocker une charge sur ses plaques conductrices lui confère sa valeur de Capacité. La capacité peut également être déterminée à partir des dimensions ou de la surface, A des plaques et des propriétés du matériau diélectrique entre les plaques. Une mesure du matériau diélectrique est donnée par la permittivité, ( ε ), ou constante diélectrique. Une autre façon d’exprimer la capacité d’un condensateur est :

Condensateur avec Air comme diélectrique

Condensateur avec un Solide comme diélectrique

Où A est la surface des plaques en mètres carrés, m², et plus la surface est grande, plus le condensateur peut stocker de charge. d est la distance ou séparation entre les deux plaques.

Plus cette distance est petite, plus la capacité des plaques à stocker une charge est élevée, puisque la charge negative sur la plaque chargée -Q a un plus grand effet sur la plaque chargée +Q, ce qui entraîne une plus grande quantité d’électrons repoussés de la plaque chargée +Q, augmentant ainsi la charge totale.

ε₀ (epsilon) est la valeur de la permittivité pour l’air, qui est de 8.854 x 10^-12 F/m, et ε_r est la permittivité du milieu diélectrique utilisé entre les deux plaques.

Condensateur à Plaques Parallèles

Nous avons précédemment dit que la capacité d’un condensateur à plaques parallèles est proportionnelle à la surface A et inversement proportionnelle à la distance, d entre les deux plaques, et cela est vrai pour un milieu diélectrique d’air. Cependant, la valeur de capacité d’un condensateur peut être augmentée en insérant un milieu solide entre les plaques conductrices qui a une constante diélectrique supérieure à celle de l’air.

Les valeurs typiques d’epsilon ε pour divers matériaux diélectriques couramment utilisés sont : Air = 1.0, Papier = 2.5 – 3.5, Verre = 3 – 10, Mica = 5 – 7, etc.

Le facteur par lequel le matériau diélectrique, ou isolant, augmente la capacité du condensateur par rapport à l’air est appelé Constante Diélectrique, (k). “k” est le rapport de la permittivité du milieu diélectrique utilisé à la permittivité de l’espace libre, également connue sous le nom de vide.

Par conséquent, toutes les valeurs de capacité sont liées à la permittivité du vide. Un matériau diélectrique avec une constante diélectrique élevée est un meilleur isolant qu’un matériau diélectrique avec une constante diélectrique inférieure. La constante diélectrique est une grandeur sans dimension puisque elle est relative à l’espace libre.

Exemple de Capacité N°1

Un condensateur à plaques parallèles se compose de deux plaques avec une surface totale de 100 cm². Quelle sera la capacité en pico-Farads (pF) du condensateur si la séparation des plaques est de 0.2 cm et le milieu diélectrique utilisé est l’air.

La valeur du condensateur est alors de 44pF.

Chargement et Déchargement d’un Condensateur

Considérons le circuit suivant.

Supposons que le condensateur soit complètement déchargé et que l’interrupteur connecté au condensateur vient d’être déplacé en position A. La tension à travers le condensateur de 100μF est nulle à ce stade, et un courant de chargement ( i ) commence à circuler, chargeant le condensateur exponentiellement jusqu’à ce que la tension à travers les plaques soit presque égale à la tension d’alimentation de 12V. Après 5 constantes de temps, le courant devient un faible courant et le condensateur est considéré comme “complètement chargé”. Ensuite, V_C = V_S = 12 volts.

Une fois que le condensateur est “complètement chargé”, en théorie, il maintiendra son état de charge de tension même lorsque la tension d’alimentation a été déconnectée, car il agit comme un type de dispositif de stockage temporaire. Cependant, bien que cela puisse être vrai pour un condensateur “idéal”, un véritable condensateur se déchargera lentement au fil du temps en raison des courants de fuite internes circulant à travers le diélectrique.

C’est un point important à retenir, car de gros condensateurs connectés à des alimentations haute tension peuvent toujours maintenir une quantité significative de charge même lorsque la tension d’alimentation est coupée.

Si l’interrupteur était déconnecté à ce point, le condensateur maintiendrait sa charge indéfiniment, mais en raison des courants de fuite internes circulant à travers son diélectrique, le condensateur commencerait très lentement à se décharger à mesure que les électrons traversent le diélectrique. Le temps nécessaire pour que le condensateur se décharge jusqu’à 37% de sa tension d’alimentation est connu sous le nom de Constante de Temps.

Si l’interrupteur est maintenant déplacé de la position A à la position B, le condensateur complètement chargé commencerait à se décharger à travers la lampe désormais connectée, illuminant la lampe jusqu’à ce que le condensateur soit complètement déchargé, car l’élément de la lampe a une valeur résistive.

La luminosité de la lampe et la durée de l’illumination dépendraient en fin de compte de la valeur de capacité du condensateur et de la résistance de la lampe (t = R*C). Plus la valeur du condensateur est grande, plus la luminosité et la durée d’illumination de la lampe seront importantes, car elle pourrait stocker plus de charge.

Exemple de Capacité N°2

Calculez la charge dans le circuit de condensateur ci-dessus.

Courant à travers un Condensateur

Le courant électrique ne peut pas réellement circuler à travers un condensateur comme il le fait à travers un résistor ou un inducteur, en raison des propriétés isolantes du matériau diélectrique entre les deux plaques. Cependant, le chargement et le déchargement des deux plaques donnent l’effet que le courant circule.

Le courant qui circule dans un condensateur est directement lié à la charge sur les plaques, car le courant est le débit de charge par rapport au temps. Comme la capacité d’un condensateur à stocker une charge (Q) entre ses plaques est proportionnelle à la tension appliquée (V), la relation entre le courant et la tension appliquée aux plaques d’un condensateur devient :

Relation Courant-Tension (I-V)

Alors que la tension à travers les plaques augmente (ou diminue) au fil du temps, le courant qui circule à travers la capacité dépose (ou retire) de la charge de ses plaques, la quantité de charge étant proportionnelle à la tension appliquée. Ensuite, à la fois le courant et la tension appliquées à une capacité sont des fonctions du temps et sont notées par les symboles i_(t) et v_(t).

Cependant, à partir de l’équation ci-dessus, nous pouvons également voir que si la tension reste constante, la charge deviendra constante et donc le courant sera nul ! En d’autres termes, pas de changement de tension, pas de déplacement de charge et pas de flux de courant. C’est pourquoi un condensateur semble “bloquer” le flux de courant lorsqu’il est connecté à une tension continue stable.

Valeur de Capacité – Le Farad

Nous savons maintenant que la capacité d’un condensateur à stocker une charge lui donne sa valeur de capacité C, qui a l’unité du Farad, F. Mais le farad est une unité extrêmement grande en soi, ce qui la rend impraticable à utiliser, donc des sous-multiples ou des fractions de l’unité Farad standard sont utilisés à la place.

Pour se faire une idée de la taille réelle d’un Farad, la surface des plaques requises pour produire un condensateur avec une valeur d’un Farad avec une séparation de plaques raisonnable de disons 1mm opérant dans un vide. En réorganisant l’équation pour la capacité ci-dessus, cela nous donnerait une surface de plaque de :

A = Cd ÷ 8.85pF/m = (1 x 0.001) ÷ 8.85×10^-12 = 112,994,350 m²

ou 113 millions m², ce qui serait équivalent à une plaque de plus de 10 kilomètres sur 10 kilomètres (plus de 6 miles) carrés. C’est énorme.

Les condensateurs dont la valeur est d’un Farad ou plus tendent à avoir un diélectrique solide et comme “Un Farad” est une unité si grande à utiliser, des préfixes sont utilisés à la place dans les formules électroniques, avec des valeurs de condensateur données en micro-Farads (μF), nano-Farads (nF) et pico-Farads (pF). Par exemple :

Sous-units de Capacité du Farad

Convertir les valeurs de capacité suivantes :

a) 22nF à μF, b) 0.2μF à nF, c) 550pF à μF

a)  22nF = 0.022μF

b)  0.2μF = 200nF

c)  550pF = 0.00055μF

Bien qu’un Farad soit une valeur importante à lui seul, les condensateurs sont maintenant couramment disponibles avec des valeurs de capacité de plusieurs centaines de Farads et ont des noms pour refléter cela, tels que “Super-condensateurs” ou “Ultra-condensateurs”.

Ces condensateurs sont des dispositifs de stockage d’énergie électrochimique qui utilisent une grande surface de leur diélectrique en carbone pour délivrer des densités d’énergie beaucoup plus élevées que les condensateurs conventionnels, et comme la capacité est proportionnelle à la surface du carbone, plus le carbone est épais, plus sa capacité est élevée.

Les super-condensateurs à faible voltage (d’environ 3.5V à 5.5V) sont capables de stocker de grandes quantités de charge en raison de leurs hautes valeurs de capacité, car l’énergie stockée dans un condensateur est égale à 1/2(C x V²).

Les super-condensateurs à faible voltage sont couramment utilisés dans les dispositifs portables pour remplacer de grosses batteries lithium coûteuses et lourdes car elles offrent des caractéristiques de stockage et de décharge similaires à celles des batteries, ce qui les rend idéales pour être utilisées comme une source d’énergie alternative ou pour la sauvegarde de mémoire. Les super-condensateurs utilisés dans les dispositifs portables sont souvent chargés à l’aide de cellules solaires intégrées dans l’appareil.

Des ultra-condensateurs sont en cours de développement pour être utilisés dans des voitures hybrides électriques et des applications d’énergie alternative pour remplacer de grosses batteries conventionnelles ainsi que dans les applications de lissage CC dans les systèmes audio et vidéo des véhicules. Les ultra-condensateurs peuvent être rechargés rapidement et ont des densités de stockage d’énergie très élevées, ce qui les rend idéaux pour une utilisation dans les applications de véhicules électriques.

Énergie dans un Condensateur

Lorsque un condensateur se charge à partir de l’alimentation qui lui est connectée, un champ électrostatique est établi qui stocke de l’énergie dans le condensateur. La quantité d’énergie en Joules qui est stockée dans ce champ électrostatique est égale à l’énergie que la tension d’alimentation exerce pour maintenir la charge sur les plaques du condensateur et est donnée par la formule :

Donc, l’énergie stockée dans le circuit de condensateur de 100μF ci-dessus est calculée comme :

Dans le prochain tutoriel de notre section sur les Condensateurs, nous examinerons les Codes de Couleur des Condensateurs et verrons les différentes manières dont les valeurs de capacité et de tension du condensateur sont marquées sur son corps.