Capacité d’un condensateur plan avec diélectrique

Calcul de la Capacité d’un Condensateur Plan avec Diélectrique

Capacité d’un Condensateur Plan avec Diélectrique

Comprendre le Rôle des Condensateurs et des Diélectriques

Le condensateur est un composant électronique fondamental, capable de stocker de l'énergie sous forme de champ électrique. Sa capacité à accumuler des charges électriques, appelée capacité (mesurée en Farads), dépend de sa géométrie (surface et distance entre ses armatures) et du matériau isolant placé entre elles, appelé diélectrique. L'introduction d'un diélectrique modifie les propriétés électriques du condensateur de manière significative. Cet exercice vise à quantifier cet impact en comparant un condensateur plan fonctionnant avec de l'air, puis avec un matériau diélectrique spécifique.

Remarque Pédagogique : L'utilisation de diélectriques est une stratégie essentielle en conception électronique. Non seulement ils permettent d'augmenter la capacité d'un condensateur pour une taille donnée (favorisant la miniaturisation), mais ils augmentent aussi la tension maximale que le composant peut supporter avant de "claquer". Cet exercice se concentre sur le premier aspect : l'augmentation de la capacité.

Données de l'étude

On étudie un condensateur plan dont les armatures carrées sont de côté \(L = 10 \, \text{cm}\) et séparées par une distance \(d = 1 \, \text{mm}\). Ce condensateur est soumis à une tension de \(V = 12 \, \text{V}\).

Caractéristiques et constantes :

  • On insère entre les armatures une plaque de téflon qui remplit tout l'espace.
  • Permittivité relative du téflon (\(\epsilon_r\)) : \(2.1\)
  • Permittivité du vide (\(\epsilon_0\)) : \(8.854 \times 10^{-12} \, \text{F/m}\)
Schémas du Condensateur
Condensateur avec air d Air (ε₀) Armature (A)

Cas 1 : Diélectrique Air

Condensateur avec diélectrique d Téflon (εr)

Cas 2 : Diélectrique Téflon


Questions à traiter

  1. Calculer l'aire \(A\) des armatures en \(m^2\).
  2. Calculer la capacité \(C_0\) du condensateur lorsque le diélectrique est de l'air (\(\epsilon_r \approx 1\)).
  3. Calculer la nouvelle capacité \(C\) du condensateur après l'insertion de la plaque de téflon.
  4. Calculer l'énergie stockée (\(E_0\) et \(E\)) dans les deux cas pour la tension donnée, et commenter le résultat.

Correction : Calcul de la Capacité d’un Condensateur Plan avec Diélectrique

Question 1 : Calcul de l'aire des armatures (\(A\))

Principe :

L'aire d'une surface carrée est le carré de la longueur de son côté. Les unités doivent être converties en mètres pour être cohérentes avec le Système International (SI).

Remarque Pédagogique : Cette première étape est fondamentale. Une erreur sur l'unité (oublier de convertir les cm² en m²) entraînerait une erreur de facteur 10 000 sur le résultat final. La rigueur sur les unités est cruciale en physique.

Calcul :
\[ \begin{aligned} L &= 10 \, \text{cm} = 0.1 \, \text{m} \\ A &= L^2 = (0.1 \, \text{m})^2 \\ &= 0.01 \, \text{m}^2 \end{aligned} \]

Question 2 : Capacité avec l'Air (\(C_0\))

Principe :

La capacité d'un condensateur plan dans le vide (ou l'air, dont la permittivité relative est très proche de 1) est directement proportionnelle à l'aire de ses armatures et inversement proportionnelle à la distance qui les sépare.

Remarque Pédagogique : Le résultat est en picofarads (pF), une unité très courante pour les condensateurs utilisés en électronique. Cela illustre que le Farad est une unité très grande, rarement rencontrée en pratique. Cette valeur \(C_0\) sert de référence pour évaluer l'apport du diélectrique.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ C_0 = \epsilon_0 \frac{A}{d} \]
Calcul :
\[ \begin{aligned} C_0 &= (8.854 \times 10^{-12} \, \text{F/m}) \times \frac{0.01 \, \text{m}^2}{0.001 \, \text{m}} \\ &= 8.854 \times 10^{-11} \, \text{F} \\ &= 88.54 \times 10^{-12} \, \text{F} \\ &= 88.54 \, \text{pF} \end{aligned} \]
Résultat : La capacité initiale du condensateur avec l'air est \(C_0 \approx 88.54 \, \text{pF}\).

Quiz Intermédiaire 1

Si l'on double la surface des armatures (\(A\)) et que l'on double la distance (\(d\)) qui les sépare, la capacité du condensateur à air :

Question 3 : Capacité avec le Diélectrique (\(C\))

Principe :

L'insertion d'un matériau diélectrique de permittivité relative \(\epsilon_r\) entre les armatures multiplie la capacité initiale (dans le vide) par ce facteur \(\epsilon_r\).

Remarque Pédagogique : C'est le concept central de cette leçon. Le facteur \(\epsilon_r\) montre directement l'efficacité d'un matériau pour augmenter la capacité. C'est ainsi que les fabricants peuvent offrir des condensateurs de valeurs très différentes tout en gardant des dimensions similaires, simplement en changeant le matériau diélectrique.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ C = \epsilon_r \epsilon_0 \frac{A}{d} = \epsilon_r C_0 \]
Calcul :
\[ \begin{aligned} C &= 2.1 \times C_0 \\ &= 2.1 \times 88.54 \, \text{pF} \\ &\approx 185.93 \, \text{pF} \end{aligned} \]
Résultat : La capacité avec le téflon est \(C \approx 185.93 \, \text{pF}\).

Question 4 : Énergie Stockée (\(E_0\) et \(E\))

Principe :

L'énergie stockée dans un condensateur est proportionnelle à sa capacité et au carré de la tension à ses bornes. En augmentant la capacité tout en maintenant la tension constante, on augmente la quantité d'énergie que le condensateur peut stocker.

Remarque Pédagogique : La capacité de stocker plus d'énergie est cruciale. Un condensateur de plus grande capacité peut libérer une plus grande quantité d'énergie en un temps très court, ce qui est le principe de base d'un flash d'appareil photo ou d'un défibrillateur cardiaque. Le diélectrique est donc un multiplicateur d'énergie stockée.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ E = \frac{1}{2} C V^2 \]
Calcul :
\[ \begin{aligned} E_0 (\text{air}) &= \frac{1}{2} C_0 V^2 \\ &= \frac{1}{2} \times (88.54 \times 10^{-12} \, \text{F}) \times (12 \, \text{V})^2 \\ &\approx 6.37 \times 10^{-9} \, \text{J} = 6.37 \, \text{nJ} \\ \\ E (\text{téflon}) &= \frac{1}{2} C V^2 \\ &= \frac{1}{2} \times (185.93 \times 10^{-12} \, \text{F}) \times (12 \, \text{V})^2 \\ &\approx 13.39 \times 10^{-9} \, \text{J} = 13.39 \, \text{nJ} \end{aligned} \]
Commentaire :

L'insertion du diélectrique a multiplié la capacité par 2.1. Comme l'énergie est directement proportionnelle à la capacité (à tension constante), l'énergie stockée a également été multipliée par 2.1 (\(13.39 / 6.37 \approx 2.1\)). Le diélectrique a permis au condensateur de stocker plus d'énergie pour la même tension appliquée.


Simulation Interactive de la Capacité

Utilisez les contrôles ci-dessous pour explorer comment la géométrie du condensateur et le choix du diélectrique influencent sa capacité et l'énergie qu'il peut stocker.

Paramètres de Simulation
Résultats Calculés
Capacité (C)
Charge (Q)
Énergie (E)

Pour Aller Plus Loin : Scénarios de Réflexion

Champ de Claquage

Chaque diélectrique possède une "rigidité diélectrique", qui est le champ électrique maximal qu'il peut supporter avant de devenir conducteur (provoquant un court-circuit). L'air a une rigidité d'environ 3 MV/m. Le téflon, lui, a une rigidité de 60 MV/m. Le diélectrique permet donc non seulement d'augmenter la capacité, mais aussi la tension de service maximale du condensateur.

Condensateur Partiellement Rempli

Si le diélectrique ne remplit que la moitié de l'espace entre les armatures, le calcul se complique. On doit alors modéliser le système comme deux condensateurs en série : un avec le diélectrique sur la moitié de la distance, et un avec l'air sur l'autre moitié. La capacité totale sera alors inférieure à celle du condensateur entièrement rempli.


Foire Aux Questions (FAQ)

Pourquoi un diélectrique augmente-t-il la capacité ?

Lorsqu'un diélectrique est placé dans un champ électrique, ses molécules se polarisent (les charges positives et négatives se séparent légèrement). Cela crée un champ électrique interne qui s'oppose au champ principal. Le champ électrique net entre les armatures est donc réduit. Pour maintenir la même tension \(V\) (qui est l'intégrale du champ \(E\) sur la distance \(d\)), plus de charges doivent être accumulées sur les armatures. Puisque \(C = Q/V\), une augmentation de \(Q\) pour un même \(V\) signifie une augmentation de la capacité \(C\).

Quels sont les matériaux diélectriques courants ?

Outre l'air et le téflon, on trouve couramment la céramique, le mica, le verre, certains plastiques (polyester, polypropylène) et des oxydes métalliques (oxyde d'aluminium, oxyde de tantale) pour les condensateurs électrolytiques, qui offrent de très hautes permittivités.


Quiz Final : Testez vos connaissances

1. L'unité de la capacité est le Farad (F). Un picofarad (pF) équivaut à :

2. L'insertion d'un diélectrique avec \(\epsilon_r > 1\) dans un condensateur maintenu à une tension constante V :


Glossaire

Condensateur
Composant électronique passif formé de deux conducteurs (armatures) séparés par un isolant (diélectrique), conçu pour stocker de l'énergie électrostatique.
Capacité (C)
Grandeur physique caractérisant la capacité d'un condensateur à stocker des charges électriques pour une tension donnée. Elle est définie par \(C = Q/V\) et s'exprime en Farads (F).
Diélectrique
Matériau isolant qui ne conduit pas le courant électrique mais qui peut être polarisé par un champ électrique. Son insertion dans un condensateur augmente sa capacité.
Permittivité (\(\epsilon\))
Mesure de la façon dont un champ électrique est affecté par un milieu diélectrique. La permittivité relative \(\epsilon_r\) est le rapport de la permittivité du matériau \(\epsilon\) à celle du vide \(\epsilon_0\).
Champ de Claquage
Intensité maximale du champ électrique qu'un matériau isolant peut supporter sans perdre ses propriétés isolantes et devenir conducteur.
Calcul de la Capacité d’un Condensateur Plan avec Diélectrique

D’autres exercices d’electromagnetique:

Champ Magnétique Variable sur une Plaque
Champ Magnétique Variable sur une Plaque

Exercice : Courants de Foucault dans une Plaque Champ Magnétique Variable sur une Plaque Contexte : L'induction électromagnétique. Cet exercice porte sur un phénomène fondamental en électromagnétisme : l'induction. Lorsqu'une plaque conductrice est soumise à un champ...

Calcul de l’Inductance et de l’Énergie Stockée
Calcul de l’Inductance et de l’Énergie Stockée

Exercice : Inductance et Énergie d'un Solénoïde Calcul de l’Inductance et de l’Énergie Stockée dans un Solénoïde Contexte : Le solénoïdeUn enroulement de fil conducteur en forme d'hélice, conçu pour créer un champ magnétique uniforme dans son intérieur lorsqu'il est...

Calcul de la constante k de Coulomb
Calcul de la constante k de Coulomb

Exercice : Calcul de la Constante de Coulomb (k) Calcul de la Constante de Coulomb (k) Contexte : L'étude de la Force ÉlectrostatiqueLa force d'attraction ou de répulsion qui s'exerce entre deux particules chargées électriquement.. La loi de Coulomb est un principe...

Loi d’Ohm dans un Milieu Conducteur Cylindrique
Loi d’Ohm dans un Milieu Conducteur Cylindrique

Exercice : Loi d’Ohm dans un Milieu Conducteur Cylindrique Loi d’Ohm dans un Milieu Conducteur Cylindrique Contexte : L'étude de la conduction électriquePhénomène de déplacement de porteurs de charge électrique (électrons, ions) au sein d'un matériau, sous l'effet...

Interactions Magnétiques avec le Césium-137
Interactions Magnétiques avec le Césium-137

Calcul d'Interaction Magnétique : Le Césium-137 Interactions Magnétiques avec le Césium-137 Contexte : Le Moment Magnétique NucléairePropriété d'un noyau atomique qui le fait se comporter comme un petit aimant, due au spin des protons et des neutrons qui le...

Calcul de la Vitesse de Phase d’une Onde
Calcul de la Vitesse de Phase d’une Onde

Exercice : Vitesse de Phase d'une Onde Électromagnétique Calcul de la Vitesse de Phase d’une Onde Électromagnétique Contexte : Les Ondes ÉlectromagnétiquesUne onde électromagnétique est la propagation d'un champ électrique et d'un champ magnétique associés, qui...

Puissance Transportée par un Câble Coaxial
Puissance Transportée par un Câble Coaxial

Exercice : Puissance Transportée par un Câble Coaxial Puissance Transportée par un Câble Coaxial Contexte : Le Câble CoaxialUn type de câble électrique utilisé pour transmettre des signaux à haute fréquence. Il se compose d'un conducteur central, d'un isolant, d'un...

Calcul de la Densité Surfacique de Courant
Calcul de la Densité Surfacique de Courant

Calcul de la Densité Surfacique de Courant Calcul de la Densité Surfacique de Courant Contexte : Le concept de nappe de courantIdéalisation d'un courant électrique circulant dans une surface infiniment mince. C'est un modèle clé pour analyser les champs magnétiques à...

Calcul du vecteur de Poynting
Calcul du vecteur de Poynting

Exercice : Vecteur de Poynting Calcul du Vecteur de Poynting Contexte : Le vecteur de PoyntingLe vecteur de Poynting représente la densité de flux d'énergie (la puissance par unité de surface) d'un champ électromagnétique.. Quand on pense à l'énergie électrique, on...

Calcul de la densité moyenne d’énergie
Calcul de la densité moyenne d’énergie

Exercice : Densité d'Énergie Électromagnétique Calcul de la Densité Moyenne d'Énergie Contexte : L'onde électromagnétiqueUne onde composée de champs électriques et magnétiques oscillants qui se propagent dans l'espace et transportent de l'énergie. La lumière est un...

Densité Énergétique en Électromagnétisme
Densité Énergétique en Électromagnétisme

Exercice : Densité Énergétique en Électromagnétisme Densité Énergétique dans un Condensateur Plan Contexte : L'énergie stockée par les champs électromagnétiquesLes champs électrique et magnétique sont des régions de l'espace où des forces s'exercent sur les charges...

Temps de Décharge d’un Condensateur
Temps de Décharge d’un Condensateur

Exercice : Temps de Décharge d’un Condensateur Temps de Décharge d'un Condensateur dans un Circuit RC Contexte : Le Circuit RCUn circuit électrique composé d'une résistance (R) et d'un condensateur (C). Il est fondamental pour créer des filtres, des minuteries ou des...

Potentiel Vecteur d’un Courant Continu
Potentiel Vecteur d’un Courant Continu

Exercice : Potentiel Vecteur d’un Courant Continu Calcul du Potentiel Vecteur d’un Courant Continu Contexte : Le Potentiel VecteurEn magnétostatique, le potentiel vecteur \(\vec{A}\) est un champ de vecteurs dont le rotationnel donne le champ magnétique \(\vec{B}\).....

Effets de la Polarisation Linéaire sur une Onde
Effets de la Polarisation Linéaire sur une Onde

Exercice : Polarisation Linéaire d'une Onde Effets de la Polarisation Linéaire sur une Onde Contexte : L'étude de la polarisation linéaireÉtat de polarisation d'une onde électromagnétique où le vecteur champ électrique oscille selon une direction fixe.. Une onde...

Calcul de la fréquence de l’onde
Calcul de la fréquence de l’onde

Calcul de la Fréquence d'une Onde Électromagnétique Calcul de la Fréquence d'une Onde Électromagnétique Contexte : L'onde électromagnétiqueUne onde composée de champs électriques et magnétiques oscillants qui se propagent dans l'espace. La lumière, les ondes radio et...

Théorème de Gauss pour une Sphère Chargée
Théorème de Gauss pour une Sphère Chargée

Exercice : Théorème de Gauss pour une Sphère Chargée Théorème de Gauss pour une Sphère Chargée Contexte : Électromagnétisme et le Théorème de GaussUn principe fondamental en électrostatique qui relie le flux électrique à travers une surface fermée à la charge...

Analyse de la Fréquence de Larmor dans l’IRM
Analyse de la Fréquence de Larmor dans l’IRM

Analyse de la Fréquence de Larmor dans l’IRM Analyse de la Fréquence de Larmor dans l’IRM Contexte : L'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une technique d'imagerie médicale de pointe qui permet d'obtenir des vues en 2D ou 3D de l'intérieur du corps. Le...

Champ électrique et potentiel électrique
Champ électrique et potentiel électrique

Exercice : Champ et Potentiel Électriques Champ Électrique et Potentiel Électrique Contexte : L'étude du mouvement d'une particule chargée, comme un électronParticule subatomique de charge négative qui gravite autour du noyau d'un atome., dans un champ électrique...

Calcul de la Densité de Charge
Calcul de la Densité de Charge

Exercice : Calcul de Densité de Charge Calcul de la Densité de Charge Électrique Contexte : La Densité de ChargeLa densité de charge décrit comment une charge électrique est répartie dans l'espace. Elle peut être linéique (par unité de longueur), surfacique (par unité...

Calcul du Champ et du Potentiel Électriques
Calcul du Champ et du Potentiel Électriques

Exercice : Champ et Potentiel Électriques Calcul du Champ et du Potentiel Électriques Contexte : L'électrostatique est la branche de la physique qui étudie les interactions entre les charges électriques immobiles. Deux concepts fondamentaux en découlent : le champ...

Calcul de la densité de courant (J)
Calcul de la densité de courant (J)

Exercice : Calcul de la Densité de Courant (J) Calcul de la Densité de Courant (J) dans un Conducteur Contexte : La densité de courantVecteur décrivant le courant électrique par unité de surface. Son unité est l'ampère par mètre carré (A/m²).. En électricité et en...

Fibres Optiques avec les Équations de Maxwell
Fibres Optiques avec les Équations de Maxwell

Exercice : Propagation Guidée dans une Fibre Optique Fibres Optiques avec les Équations de Maxwell Contexte : La Fibre OptiqueUn guide d'onde diélectrique, généralement en verre ou en plastique, capable de transmettre de la lumière sur de longues distances avec très...

Étude des Modes de Résonance dans une Cavité
Étude des Modes de Résonance dans une Cavité

Étude des Modes de Résonance dans une Cavité Étude des Modes de Résonance dans une Cavité Rectangulaire Contexte : Les cavités résonnantesStructure conductrice creuse qui confine les ondes électromagnétiques. Seules certaines fréquences, dites de résonance, peuvent...

Paramètres d’une Antenne Dipôle Simple
Paramètres d’une Antenne Dipôle Simple

Exercice : Paramètres d'une Antenne Dipôle Simple Paramètres d'une Antenne Dipôle Simple Contexte : L'antenne dipôle demi-ondeUne des antennes les plus simples et fondamentales, constituée de deux conducteurs rectilignes de longueur totale égale à la moitié d'une...

Calcul des caractéristiques d’un transformateur
Calcul des caractéristiques d’un transformateur

Exercice : Caractéristiques d'un Transformateur Monophasé Calcul des Caractéristiques d’un Transformateur Monophasé Contexte : Le transformateur monophaséAppareil statique à induction électromagnétique destiné à transformer un système de courants alternatifs en un...

Calcul de la portée d’un radar
Calcul de la portée d’un radar

Calcul de la Portée d'un Radar Calcul de la Portée Maximale d'un Radar de Surveillance Comprendre l'Équation du Radar L'équation du radar est la pierre angulaire de l'ingénierie électromagnétique appliquée à la détection. Elle relie la portée maximale d'un radar aux...

Rayonnement d’un Dipôle Oscillant
Rayonnement d’un Dipôle Oscillant

Calcul du Rayonnement d'un Dipôle Oscillant Rayonnement d’un Dipôle Oscillant Comprendre le Rayonnement Électromagnétique Le dipôle oscillant est la source la plus fondamentale d'ondes électromagnétiques. Il modélise une petite antenne filaire dans laquelle des...

Force électromotrice induite dans un circuit
Force électromotrice induite dans un circuit

Calcul de la Force Électromotrice Induite Force Électromotrice (f.é.m.) Induite dans un Circuit Comprendre l'Induction Électromagnétique L'induction électromagnétique, décrite par la loi de Faraday-Lenz, est l'un des piliers de l'électromagnétisme. Elle stipule qu'une...

Champ Magnétique Variable sur une Plaque
Champ Magnétique Variable sur une Plaque

Exercice : Courants de Foucault dans une Plaque Champ Magnétique Variable sur une Plaque Contexte : L'induction électromagnétique. Cet exercice porte sur un phénomène fondamental en électromagnétisme : l'induction. Lorsqu'une plaque conductrice est soumise à un champ...

Calcul de l’Inductance et de l’Énergie Stockée
Calcul de l’Inductance et de l’Énergie Stockée

Exercice : Inductance et Énergie d'un Solénoïde Calcul de l’Inductance et de l’Énergie Stockée dans un Solénoïde Contexte : Le solénoïdeUn enroulement de fil conducteur en forme d'hélice, conçu pour créer un champ magnétique uniforme dans son intérieur lorsqu'il est...

Calcul de la constante k de Coulomb
Calcul de la constante k de Coulomb

Exercice : Calcul de la Constante de Coulomb (k) Calcul de la Constante de Coulomb (k) Contexte : L'étude de la Force ÉlectrostatiqueLa force d'attraction ou de répulsion qui s'exerce entre deux particules chargées électriquement.. La loi de Coulomb est un principe...

Loi d’Ohm dans un Milieu Conducteur Cylindrique
Loi d’Ohm dans un Milieu Conducteur Cylindrique

Exercice : Loi d’Ohm dans un Milieu Conducteur Cylindrique Loi d’Ohm dans un Milieu Conducteur Cylindrique Contexte : L'étude de la conduction électriquePhénomène de déplacement de porteurs de charge électrique (électrons, ions) au sein d'un matériau, sous l'effet...

Interactions Magnétiques avec le Césium-137
Interactions Magnétiques avec le Césium-137

Calcul d'Interaction Magnétique : Le Césium-137 Interactions Magnétiques avec le Césium-137 Contexte : Le Moment Magnétique NucléairePropriété d'un noyau atomique qui le fait se comporter comme un petit aimant, due au spin des protons et des neutrons qui le...

Calcul de la Vitesse de Phase d’une Onde
Calcul de la Vitesse de Phase d’une Onde

Exercice : Vitesse de Phase d'une Onde Électromagnétique Calcul de la Vitesse de Phase d’une Onde Électromagnétique Contexte : Les Ondes ÉlectromagnétiquesUne onde électromagnétique est la propagation d'un champ électrique et d'un champ magnétique associés, qui...

0 commentaires
Soumettre un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *