Condensateur et milieu diélectrique

Bac Pro date :
Ph. Georges Sciences 1/2
+
V
Isolant
Q’
+
V
Q
Isolant
Q’ > Q
U
C
+ Q
– Q
LE CONDENSATEUR : CHARGE ET DÉCHARGE
I- Milieu diélectrique
Les milieux conducteurs sont caractérisés par l’existence de charges libres susceptibles de se
déplacer dans toute la masse du matériau : électrons pour les métaux, ions pour les électrolytes.
Mais qu’en est-il pour un milieu isolant et neutre ?
Il est erroné de penser qu’un tel milieu ne possède pas de « propriétés électriques ». Placé dans une
région où règne un champ électrique, un isolant modifie ce champ électrique mais aussi l’état
électrique des conducteurs situés dans son voisinage.
L’expérience la plus significative est l’effet, découvert par Sir Faraday, de l’introduction d’un
isolant entre deux plaques conductrices.
Pour maintenir le même potentiel V, le générateur
doit fournir, en présence d’isolant, une quantité
d’électricité plus importante.
La capacité est augmentée d’un facteur qui dépend
du matériau isolant (jusqu’à plusieurs milliers).
L’expérience des petits morceaux de papier attirés par un corps électrisé ou l’orientation dans le
sens du champ électrique d’objets isolants oblongs sont d’autres manifestation des propriétés
électriques des isolants.
Ces effets sont dus au fait que, contrairement au cas des conducteurs, le champ électrique pénètre à
l’intérieur du matériau isolant ; d’où le nom de diélectrique donné à ce type de matériau (du grec :
, à travers).
Mais les porteurs de charge du matériau, électrons ou ions, ne peuvent se déplacer librement sous
l’effet du champ ; ils restent liés à des groupements atomiques, moléculaires ou cristallins.
II- Le condensateur
Le condensateur est un composant constitué de deux plaques séparées par un diélectrique isolant.
Une tension U appliquée entre les deux plaques induit une charge électrique + Q (exprimée en
coulombs) sur l'une d'elles et une charge – Q sur l'autre ; il y a accumulation d'énergie électrique.
Le coefficient C =
Error!
s'appelle la capacité du condensateur.
L'unité de capacité est le farad de symbole F
Cette unité de grande valeur nécessite l'emploi des sous-multiples :
microfarad (F), nanofarad (nF) et picofarad (pF).
Pour une tension alternative, l’impédance du condensateur est : ZC =
Error!
.

Ph. Georges Sciences 2/2
R
Eu
i
C+ +
R i
u
C+ +
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0 1 2 3 4
t / R C
u / E
Error!
Error!
Charge Décharge
t/RC u/E u/E
0 0 1
0,1 0,095 0,905
0,2 0,181 0,819
0,3 0,259 0,741
0,4 0,330 0,670
0,5 0,393 0,607
0,8 0,551 0,449
1 0,632 0,368
2 0,798 0,202
2 0,865 0,135
3 0,950 0,050
4 0,982 0,018
5 0,993 0,007
6 0,998 0,002
Décharge
Charge
tangente
La pulsation  est liée à la fréquence par  = 2  f. D'où l’expression de l’impédance ZC =
Error!
.
Pour une tension alternative de fréquence très élevée, le condensteur est équivalent à un court-circuit.
Pour une tension continue (fréquence nulle), l'impédance est nulle et le condensateur est équivalent à un
interrupteur ouvert.
III- Courbes de charge et de décharge d'un condensateur à travers un résistor
E est la f.é.m. du générateur de tension constante avec I0 =
Error!
à t = 0.
1- Charge du condensateur
La tension instantanée u aux bornes du condensateur est :
u = E (1 –
RC
t
e
)
L'intensité du courant i dans le circuit est : i = I0
RC
t
e
2- Décharge du condensateur
La tension et l'intensité instantanées sont données par :
u = E
RC
t
e
et i = I0
RC
t
e
La constante de temps  (en secondes) du circuit est posée égale à RC :  = R C