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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.

Mis à jour le 5 min de lecture

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

FacteurEffet sur la capacité
Surface des armatures Splus elle est grande, plus la capacité augmente
Distance entre les armatures dplus 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-multipleValeurUsage typique
picofarad (pF)10⁻¹² Fcircuits radio, haute fréquence
nanofarad (nF)10⁻⁹ Ffiltrage, découplage
microfarad (µF)10⁻⁶ Falimentations, audio
millifarad (mF)10⁻³ Fgros filtrages
farad et plus1 à plusieurs milliers de Fsupercondensateurs

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 écouléeCharge atteinte
1 τenviron 63 %
3 τenviron 95 %
5 τplus 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

TypeCaractéristiquesUsages
Céramiquepetit, faible capacité, stabledécouplage, haute fréquence
Film plastiqueprécis, robusteaudio, filtrage, électronique de puissance
Électrolytique (aluminium)forte capacité, polarisé (sens de branchement imposé)alimentations, filtrage
Tantalecompact, polariséélectronique miniaturisée
Supercondensateurtrès forte capacité, faible tensionrécupération d’énergie au freinage, alimentation de secours

Un condensateur électrolytique branché à l’envers peut chauffer, gonfler et éclater.

Condensateur ou batterie ?

CondensateurBatterie
Stockagecharges électriques dans un champréaction chimique (voir oxydoréduction)
Énergie stockée par kgfaibleélevée
Vitesse de charge et déchargetrès rapide (fractions de seconde)lente (minutes à heures)
Nombre de cyclescentaines de milliers à millionsquelques centaines à quelques milliers
Tension pendant la déchargedécroît régulièrementreste 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.

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