Énergie d'un condensateur chargé, utilisation de condensateurs

Les métaux sont d'excellents conducteurs d'électricité. Ils conduisent l'électricité car ils ont des porteurs d'électrons libres sans charge électrique. Et si une différence de potentiel est créée aux extrémités, par exemple, d'un fil de cuivre à l'aide d'une source constante d'EMF, alors un courant électrique apparaîtra dans un tel fil - des électrons sortiront de la borne négative de l'EMF source - à sa borne positive.

Au contraire, les diélectriques ne sont pas des conducteurs de courant électrique, car ils ne contiennent pas de porteurs libres de charge électrique. Les porteurs de charge positifs et négatifs dans les diélectriques sont interconnectés et forment ce que l'on appelle des dipôles électriques qui, dans un champ électrique externe, ne peuvent que tourner, mais sont incapables de se déplacer en translation sous l'influence d'un champ électrique.

Plus à ce sujet : Différences entre métaux et diélectriques, et Pourquoi les diélectriques ne conduisent pas l'électricité

Prenons, par exemple, un morceau de diélectrique sous la forme d'un tuyau en PVC (le chlorure de polyvinyle est un diélectrique).Couvrir la surface extérieure du tube avec du film alimentaire et emballer simplement dans du papier d'aluminium plus froissé à l'intérieur de sorte qu'il touche les parois intérieures du tube tout autour.

Si nous prenons maintenant la source EMF, disons batterie de 24 volts et connectez-le avec le pôle négatif à la feuille intérieure et le pôle positif à l'extérieur, alors les deux parties de la feuille recevront une charge de signes différents de la batterie et un champ électrique dirigé de l'extérieur de l'intérieur sera agir dans tout le volume de la paroi du tuyau en PVC .

Donc, dans ce champ électrique, les molécules diélectriques (PVC) vont tourner, s'orienter en fonction du champ électrique extérieur — le diélectrique est polarisé de sorte que ses molécules constitutives tournent leurs côtés négatifs vers l'extérieur - respectivement, vers l'électrode positive (à la feuille connectée à la batterie plus), avec leurs côtés positifs - vers l'intérieur, vers l'électrode négative. Retirons la batterie.

La charge positive reste sur la feuille extérieure, car elle est toujours maintenue par les côtés chargés négativement des molécules de PVC tournées vers l'extérieur, et une charge négative à l'intérieur, car elle est maintenue par les côtés positifs des molécules diélectriques, qui ont tourné vers l'intérieur. Tout s'est passé en pleine conformité avec la loi de l'électrostatique.

Si vous fermez maintenant les parties extérieure et intérieure de la feuille avec une pince, au moment de la fermeture, vous pouvez remarquer une petite étincelle : les charges opposées des plaques s'attirent et provoquent un courant à travers le fil (pince) et le diélectrique revient à son état neutre d'origine.

Il est sûr de dire que dans cet appareil, composé d'un tube diélectrique et de deux plaques d'aluminium, lorsqu'une batterie y est connectée, une accumulation de Énergie électrique.

Les appareils avec une configuration similaire sont appelés - un diélectrique enfermé entre des plaques conductrices isolées les unes des autres condensateurs électriques.

C'est intéressant:Condensateurs et batteries - Quelle est la différence ?

Historiquement, le premier prototype de condensateur, le Leiden Bank, a été inventé en 1745 à Leiden par le physicien allemand Ewald Jürgen von Kleist et indépendamment par le physicien néerlandais Peter van Muschenbrück.

L'énergie d'un condensateur chargé dépend de la tension (différence de potentiel entre les plaques) à laquelle il est chargé, puisque nous parlons de l'énergie potentielle de charges opposées sur les plaques séparées les unes des autres.

Par conséquent, cette énergie est égale au travail que le champ électrique de ces charges va faire lorsqu'elles s'attirent (ou que la source a fait lorsqu'elles ont été séparées lors de la charge du condensateur). Le travail élémentaire de déplacement d'une partie élémentaire de la charge d'une plaque à une autre est égal à :

Les condensateurs de configurations différentes, lorsqu'ils sont chargés avec la même quantité de charge, connaîtront différentes différences de potentiel entre les plaques. On peut également dire que pour différents condensateurs, différentes tensions appliquées aux plaques se traduiront par une charge quantitativement différente.

En pratique, cela signifie que chaque condensateur a une certaine valeur constante, une caractéristique qui caractérise ce condensateur particulier, liée à sa configuration, la forme des plaques, la constante diélectrique du diélectrique, etc. Ce paramètre est appelé capacité électrique C. La charge d'un condensateur q est liée à la différence de potentiel entre ses plaques U comme suit :

Par conséquent, l'expression de l'énergie totale du condensateur chargé, une fois intégrée, peut s'écrire comme suit :

Aujourd'hui, les condensateurs sont utilisés dans divers domaines de la science et de la technologie : comme dispositifs de stockage d'énergie électrique, comme filtres pour lisser les ondes dans les alimentations, lors des circuits RC de contrôle des appareils électroniques, dans les dispositifs de compensation de puissance réactive, dans les installations à induction et les appareils radio dans le cadre d'un circuit oscillant, dans de puissants générateurs d'impulsions, dans des accélérateurs électromagnétiques, dans des humidimètres de l'air, etc.

Pour plus de détails voir ici :Pourquoi les condensateurs sont-ils utilisés dans les circuits électriques ?