Condensateur à plaques parallèles : Définition, Formule et Applications

Un condensateur à plaques parallèles est un dispositif qui peut stocker une charge électrique et de l'énergie sous forme d'un champ électrique entre deux plaques conductrices. Les plaques sont séparées par une petite distance et connectées à une tension, telle qu'une batterie. L'espace entre les plaques peut être rempli d'air, d'un vide ou d'un matériau diélectrique, qui est un isolant pouvant être polarisé par un champ électrique.

Qu'est-ce qu'un condensateur à plaques parallèles?

Un condensateur à plaques parallèles est défini comme un arrangement de deux plaques métalliques d'aire égale A et de charges opposées Q, séparées par une distance d. Les plaques sont connectées à une source de tension V, qui crée une différence de potentiel électrique entre elles. Le champ électrique E entre les plaques est uniforme et perpendiculaire aux plaques, comme le montre la figure 1.

Le champ électrique E entre les plaques est donné par :

où V est la tension entre les plaques, d est la séparation entre les plaques, σ est la densité de charge superficielle sur chaque plaque, et ϵ0 est la permittivité du vide.

Le champ électrique E induit une polarisation P dans le matériau diélectrique, qui est le moment dipolaire par unité de volume du matériau. La polarisation P réduit le champ électrique effectif E à l'intérieur du diélectrique et augmente la capacité C du condensateur.

La capacité C d'un condensateur à plaques parallèles est le rapport de la charge Q sur chaque plaque à la tension V entre les plaques :

La capacité C dépend de la géométrie des plaques et du matériau diélectrique entre elles. Pour un condensateur à plaques parallèles avec de l'air ou du vide entre les plaques, la capacité C est donnée par :

où A est l'aire de chaque plaque et d est la séparation entre les plaques.

Pour un condensateur à plaques parallèles avec un matériau diélectrique entre les plaques, la capacité C est donnée par :

où k est la permittivité relative ou constante diélectrique du matériau, qui est une quantité sans dimension qui mesure la facilité avec laquelle le matériau peut être polarisé par un champ électrique.

La permittivité relative k d'un matériau diélectrique est toujours supérieure ou égale à 1. Plus la valeur de k est élevée, plus la charge peut être stockée sur le condensateur pour une tension donnée, et donc plus la capacité est élevée.

Applications des condensateurs à plaques parallèles

Les condensateurs à plaques parallèles ont de nombreuses applications dans divers domaines de la science et de l'ingénierie. Parmi elles :

• Filtrage : Les condensateurs à plaques parallèles peuvent être utilisés pour filtrer les fréquences ou les bruits indésirables d'un signal électrique. Par exemple, ils peuvent bloquer les signaux en courant continu (DC) et permettre le passage des signaux en courant alternatif (AC). Ils peuvent également être utilisés pour lisser les fluctuations de tension dans les alimentations électriques.

• Accord : Les condensateurs à plaques parallèles peuvent être utilisés pour accorder les circuits électriques à une fréquence désirée. Par exemple, ils peuvent être utilisés dans les radios, les télévisions et autres appareils de communication pour sélectionner un canal ou une bande de fréquences spécifique.

• Sensibilité : Les condensateurs à plaques parallèles peuvent être utilisés pour mesurer des grandeurs physiques telles que la pression, la température, l'humidité, le déplacement, etc. Par exemple, ils peuvent être utilisés dans les microphones, les thermomètres, les hygromètres, les accéléromètres, etc. La capacité d'un condensateur à plaques parallèles change en fonction de ces grandeurs physiques en raison des changements de distance entre les plaques ou du matériau diélectrique entre elles.

• Stockage d'énergie : Les condensateurs à plaques parallèles peuvent être utilisés pour stocker de l'énergie électrique dans leurs champs électriques. Par exemple, ils peuvent être utilisés dans les lampes de poche, les caméras, les défibrillateurs, etc. L'énergie stockée dans un condensateur à plaques parallèles est donnée par :

où U est l'énergie stockée en joules (J), C est la capacité en farads (F), et V est la tension en volts (V).

Résumé

• Un condensateur à plaques parallèles est un dispositif qui peut stocker une charge électrique et de l'énergie dans un champ électrique entre deux plaques conductrices séparées par une distance.

• La capacité d'un condensateur à plaques parallèles est proportionnelle à l'aire de chaque plaque et inversement proportionnelle à la distance entre elles. Elle dépend également du matériau diélectrique entre les plaques, qui réduit le champ électrique effectif et augmente la capacité.

• Les condensateurs à plaques parallèles ont de nombreuses applications en filtrage, accord, sensibilité et stockage