Sciences · Physique
Le condensateur
Un condensateur est un composant formé de deux conducteurs séparés par un isolant. Il stocke des charges électriques et de l’énergie, qu’il peut restituer très rapidement. Sa capacité se mesure en farads.
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Le flash d’un appareil photo, le filtrage d’une alimentation, l’écran tactile d’un téléphone, la mémoire d’un ordinateur, le défibrillateur : tous reposent sur un composant d’une grande simplicité, le condensateur. Il ne produit pas d’énergie, mais il sait la stocker et la libérer en une fraction de seconde, ce qu’aucune batterie ne fait aussi bien.
Comment ça marche ?
Quand on relie un condensateur à une pile, des électrons quittent l’armature reliée à la borne positive et s’accumulent sur l’autre. Aucun courant ne traverse l’isolant, mais un courant circule dans le reste du circuit pendant la charge. Les charges opposées créent entre les armatures un champ électrique, dans lequel l’énergie est stockée.
Une fois chargé, le condensateur garde cette charge même déconnecté, jusqu’à ce qu’on relie ses bornes : il se décharge alors en faisant circuler un courant.
La capacité
Pour un condensateur plan, la capacité vaut :
C = ε × S / d
| Facteur | Effet sur la capacité |
|---|---|
Surface des armatures S | plus elle est grande, plus la capacité augmente |
Distance entre les armatures d | plus elle est petite, plus la capacité augmente |
Nature de l’isolant (permittivité ε) | certains diélectriques multiplient la capacité par des milliers |
Le farad est une unité énorme : on utilise surtout des sous-multiples.
| Sous-multiple | Valeur | Usage typique |
|---|---|---|
| picofarad (pF) | 10⁻¹² F | circuits radio, haute fréquence |
| nanofarad (nF) | 10⁻⁹ F | filtrage, découplage |
| microfarad (µF) | 10⁻⁶ F | alimentations, audio |
| millifarad (mF) | 10⁻³ F | gros filtrages |
| farad et plus | 1 à plusieurs milliers de F | supercondensateurs |
L’énergie stockée
E = ½ × C × U²
Charge et décharge : la constante de temps
Un condensateur ne se charge pas instantanément à travers une résistance R. La tension évolue de façon exponentielle, avec une constante de temps :
τ = R × C
| Durée écoulée | Charge atteinte |
|---|---|
| 1 τ | environ 63 % |
| 3 τ | environ 95 % |
| 5 τ | plus de 99 % (on considère la charge terminée) |
Avec une résistance de 10 kΩ et un condensateur de 100 µF, τ = 1 s. Ce temps de réponse sert à créer des temporisations, comme l’extinction progressive du plafonnier d’une voiture.
Comportement en continu et en alternatif
- En courant continu, une fois chargé, le condensateur bloque le courant : il se comporte comme un interrupteur ouvert.
- En courant alternatif, il se charge et se décharge sans cesse : il laisse passer le courant, d’autant mieux que la fréquence est élevée.
Cette propriété permet de séparer les signaux selon leur fréquence : bloquer une composante continue, filtrer les graves ou les aigus dans une enceinte, lisser une tension redressée (voir courant alternatif et continu). Associé à une bobine, il forme un circuit oscillant de fréquence propre 1 / (2π √(LC)), à la base de l’accord des radios (voir résonance).
Les principaux types
| Type | Caractéristiques | Usages |
|---|---|---|
| Céramique | petit, faible capacité, stable | découplage, haute fréquence |
| Film plastique | précis, robuste | audio, filtrage, électronique de puissance |
| Électrolytique (aluminium) | forte capacité, polarisé (sens de branchement imposé) | alimentations, filtrage |
| Tantale | compact, polarisé | électronique miniaturisée |
| Supercondensateur | très forte capacité, faible tension | récupération d’énergie au freinage, alimentation de secours |
Un condensateur électrolytique branché à l’envers peut chauffer, gonfler et éclater.
Condensateur ou batterie ?
| Condensateur | Batterie | |
|---|---|---|
| Stockage | charges électriques dans un champ | réaction chimique (voir oxydoréduction) |
| Énergie stockée par kg | faible | élevée |
| Vitesse de charge et décharge | très rapide (fractions de seconde) | lente (minutes à heures) |
| Nombre de cycles | centaines de milliers à millions | quelques centaines à quelques milliers |
| Tension pendant la décharge | décroît régulièrement | reste à peu près constante |
Les deux sont complémentaires : certains bus électriques combinent batteries et supercondensateurs pour absorber les pointes de puissance au freinage et au démarrage.
La bouteille de Leyde, ancêtre du condensateur
Le premier condensateur est la bouteille de Leyde, inventée en 1745-1746 indépendamment par l’Allemand Ewald Georg von Kleist et le Néerlandais Pieter van Musschenbroek, à Leyde. C’était une bouteille de verre recouverte de feuilles métalliques à l’intérieur et à l’extérieur. Elle permettait d’accumuler l’électricité produite par frottement (voir électricité statique) et a servi à de nombreuses démonstrations spectaculaires au XVIIIe siècle, dont les expériences de Benjamin Franklin.
Les applications
- Électronique : filtrage des alimentations, découplage, temporisation, oscillateurs.
- Mémoire DRAM des ordinateurs : chaque bit est stocké dans un minuscule condensateur, chargé ou non, rafraîchi des milliers de fois par seconde.
- Écrans tactiles capacitifs : le doigt modifie la capacité entre des électrodes transparentes.
- Défibrillateur : un condensateur chargé délivre en quelques millisecondes une impulsion d’environ 150 à 360 J à travers le thorax.
- Démarrage des moteurs électriques monophasés et compensation de l’énergie réactive sur le réseau.
- Capteurs : microphones à condensateur, capteurs d’humidité, de pression ou de niveau.
Questions fréquentes
À quoi sert un condensateur ?
À stocker temporairement des charges et de l’énergie, à lisser une tension, à filtrer des signaux selon leur fréquence, à créer des temporisations et à délivrer des impulsions de forte puissance.
Le courant traverse-t-il un condensateur ?
Aucune charge ne traverse l’isolant. Mais en régime variable, les armatures se chargent et se déchargent alternativement, si bien qu’un courant circule dans le circuit comme si le condensateur le laissait passer.
Qu’est-ce qu’un farad ?
C’est la capacité d’un condensateur qui stocke une charge de 1 coulomb sous une tension de 1 volt. C’est une valeur très grande : la plupart des condensateurs se comptent en microfarads ou en nanofarads.
Un condensateur peut-il remplacer une batterie ?
Pas pour la plupart des usages : il stocke beaucoup moins d’énergie par kilogramme. En revanche, il se charge et se décharge beaucoup plus vite et supporte bien plus de cycles.