Champs électriques et capacité

Présentation

Chaque fois qu'une tension électrique existe entre deux conducteurs séparés, un champ électrique est présent dans l'espace entre ces conducteurs. En électronique de base, nous étudions les interactions de la tension, du courant et de la résistance en ce qui concerne les circuits, qui sont des chemins conducteurs à travers lesquels les électrons peuvent voyager. Cependant, lorsque nous parlons de champs, nous avons affaire à des interactions qui peuvent être réparties dans un espace vide.

Certes, la notion de « champ » est quelque peu abstraite. Au moins avec le courant électrique, il n'est pas trop difficile d'imaginer de minuscules particules appelées électrons se déplaçant entre les noyaux d'atomes dans un conducteur, mais un "champ" n'a même pas de masse et n'a pas besoin d'exister dans la matière du tout .

Malgré sa nature abstraite, presque chacun d'entre nous a une expérience directe des champs, au moins sous la forme d'aimants. Avez-vous déjà joué avec une paire d'aimants, en remarquant comment ils s'attirent ou se repoussent en fonction de leur orientation relative ? Il existe une force indéniable entre une paire d'aimants, et cette force est sans « substance ». Il n'a pas de masse, pas de couleur, pas d'odeur, et sans la force physique exercée sur les aimants eux-mêmes, il serait totalement insensible à notre corps. Les physiciens décrivent l'interaction des aimants en termes de champs magnétiques dans l'espace entre eux. Si de la limaille de fer est placée près d'un aimant, elle s'oriente le long des lignes du champ, indiquant visuellement sa présence.

Les Champs Électriques

Le sujet de ce chapitre est les champs électriques (et les dispositifs appelés condensateurs qui les exploitent), pas les champs magnétiques, mais il existe de nombreuses similitudes. Vous avez probablement également été confronté à des champs électriques. Le chapitre 1 de ce livre a commencé par une explication de l'électricité statique et de la façon dont des matériaux tels que la cire et la laine, lorsqu'ils sont frottés les uns contre les autres, produisent une attraction physique. Encore une fois, les physiciens décriraient cette interaction en termes de champs électriques générés par les deux objets en raison de leurs déséquilibres électroniques. Qu'il suffise de dire que chaque fois qu'une tension existe entre deux points, il y aura un champ électrique manifesté dans l'espace entre ces points.

La force de campagne et le flux de campagne

Les champs ont deux mesures :un champ force et un champ flux . Le champ forcer est la quantité de « poussée » qu'un champ exerce sur une certaine distance . Le champ flux est la quantité totale, ou effet, du champ à travers l'espace . La force de champ et le flux sont à peu près analogues à la tension ("poussée") et au courant (flux) à travers un conducteur, respectivement, bien que le flux de champ puisse exister dans un espace totalement vide (sans le mouvement de particules telles que les électrons) alors que le courant ne peut avoir lieu que où il y a des électrons libres à déplacer. Le flux de champ peut être opposé dans l'espace, tout comme le flux d'électrons peut être opposé par la résistance. La quantité de flux de champ qui se développera dans l'espace est proportionnelle à la quantité de force de champ appliquée, divisée par la quantité d'opposition au flux. Tout comme le type de matériau conducteur dicte la résistance spécifique du conducteur au courant électrique, le type de matériau isolant séparant deux conducteurs dicte l'opposition spécifique au flux de champ.

Normalement, les électrons ne peuvent pas entrer dans un conducteur à moins qu'il n'y ait un chemin pour qu'une quantité égale d'électrons en sorte (vous vous souvenez de l'analogie de la bille dans le tube ?). C'est pourquoi les conducteurs doivent être connectés ensemble dans un chemin circulaire (un circuit) pour qu'un courant continu se produise. Curieusement, cependant, des électrons supplémentaires peuvent être « pressés » dans un conducteur sans chemin de sortie si un champ électrique est autorisé à se développer dans l'espace par rapport à un autre conducteur. Le nombre d'électrons libres supplémentaires ajoutés au conducteur (ou d'électrons libres retirés) est directement proportionnel à la quantité de flux de champ entre les deux conducteurs.

Le champ électrique des condensateurs

Condensateurs sont des composants conçus pour tirer parti de ce phénomène en plaçant deux plaques conductrices (généralement métalliques) à proximité l'une de l'autre. Il existe de nombreux styles différents de construction de condensateurs, chacun étant adapté à des valeurs et à des objectifs particuliers. Pour les très petits condensateurs, deux plaques circulaires prenant en sandwich un matériau isolant suffiront. Pour des valeurs de condensateur plus élevées, les « plaques » peuvent être des bandes de feuille métallique, prises en sandwich autour d'un support isolant flexible et enroulées pour plus de compacité. Les valeurs de capacité les plus élevées sont obtenues en utilisant une couche d'oxyde isolant d'épaisseur microscopique séparant deux surfaces conductrices. Quoi qu'il en soit, l'idée générale est la même :deux conducteurs, séparés par un isolant.

Le symbole schématique d'un condensateur est assez simple, étant un peu plus de deux courtes lignes parallèles (représentant les plaques) séparées par un espace. Les fils se fixent aux plaques respectives pour la connexion à d'autres composants. Un symbole schématique plus ancien et obsolète pour les condensateurs montrait des plaques entrelacées, ce qui est en fait un moyen plus précis de représenter la construction réelle de la plupart des condensateurs :

Lorsqu'une tension est appliquée entre les deux plaques d'un condensateur, un flux de champ concentré est créé entre elles, permettant à une différence significative d'électrons libres (une charge) de se développer entre les deux plaques :

Comme le champ électrique est établi par la tension appliquée, des électrons libres supplémentaires sont forcés de s'accumuler sur le conducteur négatif, tandis que les électrons libres sont « volés » au conducteur positif. Cette charge différentielle équivaut à un stockage d'énergie dans le condensateur, représentant la charge potentielle des électrons entre les deux plaques. Plus la différence d'électrons sur les plaques opposées d'un condensateur est grande, plus le flux de champ est important et plus la « charge » d'énergie que le condensateur stockera est grande.

Parce que les condensateurs stockent l'énergie potentielle des électrons accumulés sous la forme d'un champ électrique, ils se comportent très différemment des résistances (qui dissipent simplement l'énergie sous forme de chaleur) dans un circuit. Le stockage d'énergie dans un condensateur est fonction de la tension entre les plaques, ainsi que d'autres facteurs que nous aborderons plus loin dans ce chapitre. La capacité d'un condensateur à stocker de l'énergie en fonction de la tension (différence de potentiel entre les deux fils) se traduit par une tendance à essayer de maintenir la tension à un niveau constant. En d'autres termes, les condensateurs ont tendance à résister aux changements en tension. Lorsque la tension aux bornes d'un condensateur est augmentée ou diminuée, le condensateur « résiste » au changement en tirant du courant ou en fournissant du courant à la source du changement de tension, en opposition au changement.

Pour stocker plus d'énergie dans un condensateur, la tension à ses bornes doit être augmentée. Cela signifie que plus d'électrons doivent être ajoutés à la plaque (-) et plus retirés de la plaque (+), ce qui nécessite un courant dans cette direction. Inversement, pour libérer de l'énergie d'un condensateur, la tension à ses bornes doit être diminuée. Cela signifie que certains des électrons en excès sur la plaque (-) doivent être renvoyés vers la plaque (+), ce qui nécessite un courant dans l'autre sens.

Tout comme la première loi du mouvement d'Isaac Newton (« un objet en mouvement a tendance à rester en mouvement; un objet au repos a tendance à rester au repos ») décrit la tendance d'une masse à s'opposer aux changements de vitesse, nous pouvons énoncer la tendance d'un condensateur à s'opposer aux changements de tension en tant que tels :« Un condensateur chargé a tendance à rester chargé; un condensateur déchargé a tendance à rester déchargé. En théorie, un condensateur laissé intact maintiendra indéfiniment l'état de charge de tension auquel il a été laissé. Seule une source extérieure (ou drain) de courant peut altérer la charge de tension stockée par un condensateur parfait :

En pratique, cependant, les condensateurs finiront par perdre leurs charges de tension stockées en raison des chemins de fuite internes permettant aux électrons de circuler d'une plaque à l'autre. Selon le type spécifique de condensateur, le temps nécessaire à une charge de tension stockée pour se dissiper peut être long temps (plusieurs années avec le condensateur posé sur une étagère !).

Lorsque la tension aux bornes d'un condensateur est augmentée, il tire du courant du reste du circuit, agissant comme une charge d'alimentation. Dans cette condition, on dit que le condensateur est en charge , car il y a une quantité croissante d'énergie stockée dans son champ électrique. Notez le sens du courant électronique par rapport à la polarité de la tension :

Inversement, lorsque la tension aux bornes d'un condensateur diminue, le condensateur fournit du courant au reste du circuit, agissant comme une source d'alimentation. Dans cette condition, on dit que le condensateur se se décharge . Sa réserve d'énergie, contenue dans le champ électrique, diminue maintenant à mesure que l'énergie est libérée dans le reste du circuit. Notez le sens du courant par rapport à la polarité de la tension :

Si une source de tension est soudainement appliquée à un condensateur non chargé (une augmentation soudaine de tension), le condensateur tirera du courant de cette source, en absorbant de l'énergie, jusqu'à ce que la tension du condensateur soit égale à celle de la source. Une fois que la tension du condensateur atteint cet état final (chargé), son courant décroît jusqu'à zéro. Inversement, si une résistance de charge est connectée à un condensateur chargé, le condensateur fournira du courant à la charge, jusqu'à ce qu'il ait libéré toute son énergie stockée et que sa tension tombe à zéro. Une fois que la tension du condensateur atteint cet état final (déchargé), son courant décroît jusqu'à zéro. Dans leur capacité à être chargés et déchargés, les condensateurs peuvent être considérés comme agissant un peu comme des batteries à cellules secondaires.

Le choix du matériau isolant entre les plaques, comme cela a été mentionné précédemment, a un impact important sur la quantité de flux de champ (et donc la quantité de charge) qui se développera avec une quantité donnée de tension appliquée aux plaques. En raison du rôle de ce matériau isolant dans l'influence du flux de champ, il porte un nom spécial :diélectrique . Tous les matériaux diélectriques ne sont pas égaux :la mesure dans laquelle les matériaux inhibent ou encouragent la formation de flux de champ électrique est appelée la permittivité du diélectrique.

La mesure de la capacité d'un condensateur à stocker de l'énergie pour une quantité donnée de chute de tension est appelée capacité . Sans surprise, la capacité est également une mesure de l'intensité de l'opposition aux changements de tension (la quantité exacte de courant qu'elle produira pour un taux de variation de tension donné). La capacité est symboliquement désignée par un « C » majuscule et est mesurée dans l'unité du Farad, abrégée en « F ».

La convention, pour une raison étrange, a favorisé le préfixe métrique « micro » dans la mesure des grandes capacités, et tant de condensateurs sont évalués en termes de valeurs microFarads déroutantes :par exemple, un grand condensateur que j'ai vu était évalué à 330 000 microFarads ! ! Pourquoi ne pas l'indiquer comme 330 milliFarads ? Je ne sais pas.

Le nom obsolète du condensateur

Un nom obsolète pour un condensateur est condenseur ou condenseur . Ces termes ne sont pas utilisés dans de nouveaux livres ou diagrammes schématiques (à ma connaissance), mais ils peuvent être rencontrés dans la littérature électronique plus ancienne. L'utilisation la plus connue du terme « condenseur » est peut-être dans l'ingénierie automobile, où un petit condensateur appelé par ce nom était utilisé pour atténuer les étincelles excessives entre les contacts de l'interrupteur (appelés « points ») dans les systèmes d'allumage électromécaniques.

AVIS :

• Les condensateurs réagissent contre les changements de tension en fournissant ou en tirant du courant dans la direction nécessaire pour s'opposer au changement.
• Lorsqu'un condensateur est confronté à une tension croissante, il agit comme une charge  :tirant du courant car il stocke de l'énergie (courant entrant du côté positif et sortant du côté négatif, comme une résistance).
• Lorsqu'un condensateur est confronté à une tension décroissante, il agit comme une source :fournissant du courant car il libère l'énergie stockée (courant sortant du côté positif et du côté négatif, comme une batterie).
• La capacité d'un condensateur à stocker de l'énergie sous forme de champ électrique (et par conséquent à s'opposer aux variations de tension) est appelée capacité . Il est mesuré dans l'unité du Farad (F).
• Les condensateurs étaient auparavant connus sous un autre terme :condenseur (autrement orthographié « condenseur »).