Radio-Club de Viry-Châtillon (91) - F5KEE

par F5FOD, Jean-Pierre Waymel

Condensateur-plan en CC (Courant Continu)
Prenons deux plaques métalliques disposées face à face et séparées par un matériau isolant, de l'air sec par exemple.
Relions une plaque au pôle « + » d'une pile et nommons cette plaque « P+ ».
Relions l'autre plaque au pôle « − » de la pile et nommons-la « P− ».
La pile étant considérée parfaite, sa résistance interne est nulle.

Fermons l'interrupteur « Int. ».
On pourrait croire qu'aucun courant ne puisse circuler puisqu'il n'y a aucun contact entre les plaques P+ et P−.
Et pourtant ce n'est pas le cas ! Nous savons que « + » et « − » s'attirent tandis que « − » et « − » se repoussent.
Dès que nous fermons l'interrupteur :
a) des électrons « libres » présents sur la plaque P+ (voir la première causerie) vont être attirés par le pôle « + » de la pile, quitter cette plaque et rejoindre ce pôle. Il y aura donc un déficit d'électrons sur la plaque P+, déficit symbolisé par des « + »,
b) des électrons, attirés par la plaque P+, quitteront l'autre pôle de la pile pour venir s'entasser sur la plaque P− sans pour autant pouvoir rejoindre la plaque P+ car l'intervalle séparant les deux plaques est rempli d'un matériau isolant. Par conséquent, il y a déplacement d'électrons dans le circuit donc courant ! Et comme le sens conventionnel du courant est en sens inverse du sens de déplacement des électrons, ce courant I ira du pôle « + » de la pile vers la plaque P+ et de la plaque P− vers le pôle « − » de la pile.
Sur le schéma, le courant d'électrons est représenté en rouge et le sens conventionnel du courant en bleu. « Assez rapidement », les électrons encore libres auront du mal à se loger sur la plaque P− car ils se repoussent et le courant I cessera (plus exactement : deviendra très faible). L'ensemble des deux plaques plus l'isolant qui les sépare est appelé « condensateur » car il « condense » des électrons en excès sur une plaque et des électrons en défaut sur l'autre.
Ce type de condensateur est un « condensateur-plan ». Le courant I est appelé « courant de charge » du condensateur.
Quand ce courant s'arrête (plus exactement : quand il devient très faible), on dit que le condensateur est « chargé ».

Capacité d'un condensateur, diélectrique
L'aptitude d'un condensateur à stocker des charges est appelée « capacité ».
Elle s'exprime en farads (F) et ses sous-multiples, 1 F étant une capacité extrêmement grande. Plus la surface S des plaques en regard est grande, plus grande est la capacité car on peut y loger plus de charges. De même, plus la distance e entre les plaques est petite (« e » comme « épaisseur », donc rien à voir ici avec l'électron), plus grande est la capacité car l'attraction des électrons par le « + » se fait plus forte. En résumé, la capacité C d'un condensateur est proportionnelle à la surface S des plaques en regard et inversement proportionnelle à la distance e qui les sépare :

   

(epsilon) est une constante appelée « permittivité diélectrique » (anciennement : « constante diélectrique »). C'est la permittivité du matériau présent entre les deux plaques, matériau d'ailleurs souvent appelé « diélectrique du condensateur ».
Il est pratique d'exprimer cette permittivité par rapport à la permittivité du vide et cela de la façon suivante :

   

où est la permittivité du vide :

   

et la permittivité relative du matériau considéré par rapport à celle du vide, avec :

   

Quelques valeurs de permittivité relative
Air sec : 1,0006 soit environ 1
Polystyrène : 2,4
Mica : 8
Tantale : 26 Exercice
Quelle serait la surface des plaques d'un condensateur de 1 F, ces plaques étant séparées par 0,5 mm d'air sec ?
Même question pour un condensateur de 50 pF ?

Rigidité diélectrique, tension de claquage
La rigidité diélectrique d'un isolant est la tension maximale que l'on peut appliquer à 1 mm d'isolant avant qu'un arc électrique ne vienne le percer.
Elle s'exprime en kV/mm. Pour augmenter la capacité d'un condensateur sans que la surface de ses plaques ne devienne prohibitive, on pourrait être tenté de réduire le plus possible leur espacement. Il faut néanmoins tenir compte de la rigidité du diélectrique dont il est constitué et de la tension qui lui sera appliquée. Une fois le condensateur fabriqué, l'espacement entre ses plaques est figé. La tension maximale qu'il pourra supporter devient alors l'une de ses caractéristiques. Cette tension maximale est appelée « tension de claquage ». Pour toute tension supérieure, un arc électrique le transformerait en court-circuit et il deviendrait inutilisable…

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