Objectifs d’apprentissage
À la fin de cette section, vous serez en mesure de :
- Décrire l’action d’un condensateur et définir la capacité.
- Expliquer les condensateurs à plaques parallèles et leurs capacités.
- Discuter du processus d’augmentation de la capacité d’un diélectrique.
- Déterminer la capacité étant donné la charge et la tension.
Un condensateur est un dispositif utilisé pour stocker une charge électrique. Les condensateurs ont des applications allant du filtrage des parasites dans la réception radio au stockage d’énergie dans les défibrillateurs cardiaques. Généralement, les condensateurs commerciaux comportent deux parties conductrices proches l’une de l’autre, mais qui ne se touchent pas, comme celles de la figure 1 (la plupart du temps, un isolant est utilisé entre les deux plaques pour assurer la séparation – voir la discussion sur les diélectriques ci-dessous). Lorsque les bornes d’une batterie sont connectées à un condensateur initialement non chargé, des quantités égales de charge positive et négative, +Q et -Q, sont séparées dans ses deux plaques. Le condensateur reste globalement neutre, mais nous le désignons comme stockant une charge Q dans cette circonstance.
Figure 1. Les deux condensateurs représentés ici étaient initialement non chargés avant d’être connectés à une batterie. Ils ont maintenant des charges séparées de +Q et -Q sur leurs deux moitiés. (a) Un condensateur à plaques parallèles. (b) Un condensateur roulé avec un matériau isolant entre ses deux feuilles conductrices.
Condensateur
Un condensateur est un dispositif utilisé pour stocker une charge électrique.
La quantité de charge Q qu’un condensateur peut stocker dépend de deux facteurs principaux-la tension appliquée et les caractéristiques physiques du condensateur, comme sa taille.
La quantité de charge Q qu’un condensateur peut stocker
La quantité de charge Q qu’un condensateur peut stocker dépend de deux facteurs principaux-la tension appliquée et les caractéristiques physiques du condensateur, comme sa taille.
Figure 2. Les lignes de champ électrique dans ce condensateur à plaques parallèles, comme toujours, commencent sur les charges positives et se terminent sur les charges négatives. Comme l’intensité du champ électrique est proportionnelle à la densité des lignes de champ, elle est également proportionnelle à la quantité de charge sur le condensateur.
Un système composé de deux plaques conductrices identiques et parallèles séparées par une distance, comme dans la figure 2, est appelé un condensateur à plaques parallèles. Il est facile de voir la relation entre la tension et la charge stockée pour un condensateur à plaques parallèles, comme le montre la figure 2. Chaque ligne de champ électrique commence sur une charge positive individuelle et se termine sur une charge négative, de sorte qu’il y aura plus de lignes de champ si la charge est plus importante. (Le fait de dessiner une seule ligne de champ par charge n’est qu’une commodité. Nous pouvons dessiner plusieurs lignes de champ pour chaque charge, mais le nombre total est proportionnel au nombre de charges). L’intensité du champ électrique est donc directement proportionnelle à Q.
Le champ est proportionnel à la charge :
E∝Q,
où le symbole ∝ signifie « proportionnel à ». D’après la discussion dans Potentiel électrique dans un champ électrique uniforme, nous savons que la tension aux bornes de plaques parallèles est
V = Ed.
Donc, V∝E. Il s’ensuit donc que V∝Q, et inversement,
Q∝V.
C’est vrai en général : Plus la tension appliquée à un condensateur quelconque est élevée, plus la charge stockée dans ce dernier est importante.
Des condensateurs différents stockeront des quantités de charge différentes pour une même tension appliquée, en fonction de leurs caractéristiques physiques. Nous définissons leur capacité C comme étant telle que la charge Q stockée dans un condensateur est proportionnelle à C. La charge stockée dans un condensateur est donnée par
Q = CV.
Cette équation exprime les deux principaux facteurs affectant la quantité de charge stockée. Ces facteurs sont les caractéristiques physiques du condensateur, C, et la tension, V. En réarrangeant l’équation, on voit que la capacité C est la quantité de charge stockée par volt, ou
C=\frac{Q}{V}\\.
Capacité
La capacité C est la quantité de charge stockée par volt, ou
C=\frac{Q}{V}\\\
L’unité de capacité est le farad (F), nommé d’après Michael Faraday (1791-1867), un scientifique anglais qui a contribué aux domaines de l’électromagnétisme et de l’électrochimie. La capacité étant une charge par unité de tension, on constate qu’un farad est un coulomb par volt, ou
1\text{ F}=\frac{1\text{ C}}{1\text{ V}}\\.
Un condensateur de 1 farad serait capable de stocker 1 coulomb (une très grande quantité de charge) avec l’application de seulement 1 volt. Un farad est donc une très grande capacité. Les condensateurs typiques vont des fractions de picofarad (1 pF = 10-12 F) aux millifarads (1 mF = 10-3 F).
La figure 3 montre quelques condensateurs courants. Les condensateurs sont principalement constitués de céramique, de verre ou de plastique, selon l’usage et la taille. Des matériaux isolants, appelés diélectriques, sont couramment utilisés dans leur construction, comme nous le verrons plus loin.
Figure 3. Quelques condensateurs typiques. La taille et la valeur de la capacité ne sont pas nécessairement liées. (crédit : Windell Oskay)
Condensateur à plaques parallèles
Figure 4. Condensateur à plaques parallèles avec des plaques séparées par une distance d. Chaque plaque a une surface A.
Le condensateur à plaques parallèles représenté sur la figure 4 possède deux plaques conductrices identiques, chacune ayant une surface A, séparées par une distance d (sans matériau entre les plaques). Lorsqu’une tension V est appliquée au condensateur, celui-ci stocke une charge Q, comme illustré. Nous pouvons voir comment sa capacité dépend de A et de d en considérant les caractéristiques de la force de Coulomb. Nous savons que les charges semblables se repoussent, que les charges différentes s’attirent et que la force entre les charges diminue avec la distance. Il semble donc tout à fait raisonnable que plus les plaques sont grandes, plus elles peuvent stocker de charges, car celles-ci peuvent se répartir davantage. Ainsi, C devrait être plus grand pour un grand A. De même, plus les plaques sont proches les unes des autres, plus l’attraction des charges opposées sur celles-ci est grande. Donc C devrait être plus grand pour un d plus petit.
On peut montrer que pour un condensateur à plaques parallèles, il n’y a que deux facteurs (A et d) qui affectent sa capacité C. La capacité d’un condensateur à plaques parallèles sous forme d’équation est donnée par
C=\epsilon_{o}\frac{A}{d}\\.
Capacité d’un condensateur à plaques parallèles
C=\epsilon_{o}\frac{A}{d}\\\
A est la surface d’une plaque en mètres carrés, et d est la distance entre les plaques en mètres. La constante ε0 est la permittivité de l’espace libre ; sa valeur numérique en unités SI est ε0 = 8,85 × 10-12 F/m. Les unités de F/m sont équivalentes à C2/N – m2. La petite valeur numérique de ε0 est liée à la grande taille du farad. Un condensateur à plaques parallèles doit avoir une grande surface pour avoir une capacité proche du farad. (Notez que l’équation ci-dessus est valable lorsque les plaques parallèles sont séparées par de l’air ou un espace libre. Lorsqu’un autre matériau est placé entre les plaques, l’équation est modifiée, comme nous le verrons plus loin.)
Exemple 1. Capacité et charge stockée dans un condensateur à plaques parallèles
- Quelle est la capacité d’un condensateur à plaques parallèles avec des plaques métalliques, chacune de surface 1,00 m2, séparées par 1,00 mm ?
- Quelle est la charge stockée dans ce condensateur si on lui applique une tension de 3,00 × 103 V ?
Stratégie
La détermination de la capacité C est une application simple de l’équation C=\epsilon_{o}\frac{A}{d}\\\. Une fois C trouvé, la charge stockée peut être trouvée à l’aide de l’équation Q = CV.
Solution de la première partie
Entrez les valeurs données dans l’équation de la capacité d’un condensateur à plaques parallèles donne
.
\begin{array}{lll}C&&\epsilon_{o}\frac{A}{d}=\left(8.85\times10^{-12}\frac{\text{F}}{\text{m}}\right)\frac{1.00\text{ m}^2}{1.00\times10^{-3}\text{ m}}\\\text{ }&&8.85\times10^{-9}\text{ F}=8.85\text{ nF}\end{array}\\
Discussion pour la partie 1
Cette petite valeur pour la capacité indique à quel point il est difficile de fabriquer un dispositif avec une grande capacité. Des techniques spéciales aident, comme l’utilisation de feuilles minces de très grande surface placées les unes près des autres.
Solution pour la partie 2
La charge stockée dans tout condensateur est donnée par l’équation Q = CV. En entrant les valeurs connues dans cette équation, on obtient
\begin{array}{lll}Q&&CV=\left(8,85\times10^{-9}\text{ F}\right)\left(3.00\times10^{3}\text{ V}\right)\text{ }&&26.6\mu\text{C}\end{array}\
Discussion pour la partie 2
Cette charge n’est que légèrement supérieure à celles que l’on trouve dans l’électricité statique typique. Comme l’air se décompose à environ 3,00 × 106 V/m, il est impossible de stocker plus de charge sur ce condensateur en augmentant la tension.
Un autre exemple biologique intéressant traitant du potentiel électrique se trouve dans la membrane plasmique de la cellule. La membrane sépare une cellule de son environnement et permet également aux ions de passer sélectivement dans et hors de la cellule. Il existe une différence de potentiel d’environ -70 mV à travers la membrane. Cela est dû aux ions principalement chargés négativement dans la cellule et à la prédominance des ions sodium (Na+) chargés positivement à l’extérieur. Les choses changent lorsqu’une cellule nerveuse est stimulée. Les ions Na+ sont autorisés à traverser la membrane pour pénétrer dans la cellule, ce qui produit un potentiel de membrane positif – le signal nerveux. La membrane cellulaire a une épaisseur d’environ 7 à 10 nm. Une valeur approximative du champ électrique qui la traverse est donnée par
\displaystyle{E}=\frac{V}{d}=\frac{-70\times10^{-3}\text{ V}}{8\times10^{-9}\text{ m}}=-9\times10^{6}\text{ V/m}\
Ce champ électrique est suffisant pour provoquer un claquage dans l’air.
Diélectrique
L’exemple précédent met en évidence la difficulté de stocker une grande quantité de charge dans les condensateurs. Si d est rendu plus petit pour produire une plus grande capacité, alors la tension maximale doit être réduite proportionnellement pour éviter le claquage (puisque E=\frac{V}{d}\\\). Une solution importante à cette difficulté consiste à placer un matériau isolant, appelé diélectrique, entre les plaques d’un condensateur et à faire en sorte que d soit aussi petit que possible. Non seulement le plus petit d rend la capacité plus grande, mais de nombreux isolants peuvent résister à des champs électriques plus importants que l’air avant de se décomposer.
Il existe un autre avantage à utiliser un diélectrique dans un condensateur. Selon le matériau utilisé, la capacité est supérieure à celle donnée par l’équation C=\kappa\epsilon_{0}\frac{A}{d}\\\\\\ d’un facteur κ, appelé constante diélectrique. Un condensateur à plaques parallèles avec un diélectrique entre ses plaques a une capacité donnée par C=\kappa\epsilon_{0}\frac{A}{d}\\\\ (condensateur à plaques parallèles avec diélectrique).
Les valeurs de la constante diélectrique κ pour divers matériaux sont données dans le tableau 1. Notez que κ pour le vide est exactement 1, et donc l’équation ci-dessus est valable dans ce cas aussi. Si l’on utilise un diélectrique, peut-être en plaçant du téflon entre les plaques du condensateur de l’exemple 1, alors la capacité est plus grande par le facteur κ, qui pour le téflon est de 2,1.
Expérience à emporter à la maison : Construire un condensateur
Combien de condensateurs pouvez-vous fabriquer en utilisant un emballage de chewing-gum ? Les plaques seront la feuille d’aluminium, et la séparation (diélectrique) entre les deux sera le papier.
| Tableau 1. Constantes diélectriques et rigueurs diélectriques pour divers matériaux à 20ºC | ||
|---|---|---|
| Matériau | Constante diélectrique κ | Contrainte diélectrique (V/m) |
| Vide | 1.00000 | – | Air | 1.00059 | 3 × 106 |
| Bakélite | 4,9 | 24 × 106 |
| Quartz fondu | 3,78 | 8 × 106 |
| Caoutchouc néoprène | 6.7 | 12 × 106 |
| Nylon | 3,4 | 14 × 106 | Papier | 3,7 | 16 × 106 | Polystyrène | 2.56 | 24 × 106 |
| Verre pyrex | 5,6 | 14 × 106 |
| Huile de silicium | 2.5 | 15 × 106 |
| Titanate de strontium | 233 | 8 × 106 |
| Teflon | 2.1 | 60 × 106 |
| Eau | 80 | – |
Notez également que la constante diélectrique de l’air est très proche de 1, de sorte que les condensateurs remplis d’air se comportent à peu près comme ceux qui ont du vide entre leurs plaques, sauf que l’air peut devenir conducteur si l’intensité du champ électrique devient trop importante. (Rappelez-vous que E=\frac{V}{d}\\\ pour un condensateur à plaques parallèles.) Le tableau 1 indique également les intensités de champ électrique maximales en V/m, appelées intensités diélectriques, pour plusieurs matériaux. Il s’agit des champs au-dessus desquels le matériau commence à se décomposer et à conduire. La rigidité diélectrique impose une limite à la tension qui peut être appliquée pour une séparation donnée des plaques. Par exemple, dans l’exemple 1, la séparation est de 1.00 mm, et donc la limite de tension pour l’air est
\begin{array}{lll}V&&E\cdot{d}\\\text{ }&&\left(3\times10^6\text{ V/m}\right)\left(1.00\times10^{-3}\text{ m}\right)\text{ }&&3000\text{ V}\end{array}\
Cependant, la limite pour une séparation de 1,00 mm remplie de téflon est de 60 000 V, puisque la rigidité diélectrique du téflon est de 60 × 106 V/m. Ainsi, le même condensateur rempli de téflon a une capacité supérieure et peut être soumis à une tension beaucoup plus élevée. En utilisant la capacité que nous avons calculée dans l’exemple ci-dessus pour le condensateur à plaques parallèles rempli d’air, nous constatons que le condensateur rempli de téflonpeut stocker une charge maximale de
\begin{array}{lll}Q&&CV\\\\text{ }&&\kappa{C}_{air}}V\\\\\text{ }&&(2.1)(8.85\text{ nF})(6,0\times10^4\text{ V})\\text{ }&&1,1\text{ mC}\end{array}\
Cela représente 42 fois la charge du même condensateur rempli d’air.
Capacité diélectrique
La valeur maximale du champ électrique au-dessus de laquelle un matériau isolant commence à se décomposer et à conduire est appelée sa capacité diélectrique.
Microscopiquement, comment un diélectrique augmente-t-il la capacité ? La polarisation de l’isolant en est responsable. Plus il se polarise facilement, plus sa constante diélectrique κ est grande. L’eau, par exemple, est une molécule polaire car une extrémité de la molécule a une légère charge positive et l’autre extrémité une légère charge négative. La polarité de l’eau lui confère une constante diélectrique relativement importante de 80. L’effet de la polarisation peut être mieux expliqué en termes de caractéristiques de la force de Coulomb. La figure 5 illustre schématiquement la séparation des charges dans les molécules d’un matériau diélectrique placé entre les plaques chargées d’un condensateur. La force de Coulomb entre les extrémités les plus proches des molécules et la charge sur les plaques est attractive et très forte, car elles sont très proches les unes des autres. Cela attire plus de charge sur les plaques que si l’espace était vide et que les charges opposées étaient à une distance d.
Figure 5. (a) Les molécules du matériau isolant entre les plaques d’un condensateur sont polarisées par les plaques chargées. Cela produit une couche de charge opposée à la surface du diélectrique qui attire plus de charge sur la plaque, augmentant ainsi sa capacité. (b) Le diélectrique réduit l’intensité du champ électrique à l’intérieur du condensateur, ce qui entraîne une tension plus faible entre les plaques pour une même charge. Le condensateur stocke la même charge pour une tension plus faible, ce qui implique qu’il a une plus grande capacité à cause du diélectrique.
Une autre façon de comprendre comment un diélectrique augmente la capacité est de considérer son effet sur le champ électrique à l’intérieur du condensateur. La figure 5(b) montre les lignes de champ électrique avec un diélectrique en place. Comme les lignes de champ se terminent sur des charges dans le diélectrique, elles sont moins nombreuses à passer d’un côté du condensateur à l’autre. L’intensité du champ électrique est donc moindre que si un vide existait entre les plaques, même si la même charge se trouve sur les plaques. La tension entre les plaques est V = Ed, elle est donc également réduite par le diélectrique. Il y a donc une plus petite tension V pour la même charge Q ; puisque C=\frac{Q}{V}\\\\, la capacité C est plus grande.
La constante diélectrique est généralement définie comme étant \kappa=\frac{E_0}{E}\\\, ou le rapport entre le champ électrique dans le vide et celui dans le matériau diélectrique, et est intimement liée à la polarisabilité du matériau.
Les choses grandes et petites : l’origine submicroscopique de la polarisation
La polarisation est une séparation de charge au sein d’un atome ou d’une molécule. Comme on l’a noté, le modèle planétaire de l’atome le représente comme ayant un noyau positif en orbite autour d’électrons négatifs, par analogie avec les planètes en orbite autour du Soleil. Bien que ce modèle ne soit pas tout à fait exact, il est très utile pour expliquer une vaste gamme de phénomènes et sera affiné ailleurs, notamment en physique atomique. L’origine submicroscopique de la polarisation peut être modélisée comme le montre la figure 6.
Figure 6. Conception d’artiste d’un atome polarisé. Les orbites des électrons autour du noyau sont légèrement décalées par les charges externes (montrées exagérées). La séparation des charges qui en résulte au sein de l’atome signifie que celui-ci est polarisé. Notez que la charge différente est maintenant plus proche des charges externes, ce qui provoque la polarisation.
Nous verrons dans la physique atomique que les orbites des électrons sont plus correctement considérées comme des nuages d’électrons avec la densité du nuage liée à la probabilité de trouver un électron à cet endroit (par opposition aux emplacements et aux trajectoires définis des planètes dans leurs orbites autour du Soleil). Ce nuage est déplacé par la force de Coulomb de sorte que l’atome présente en moyenne une séparation de charge. Bien que l’atome reste neutre, il peut maintenant être la source d’une force de Coulomb, car une charge amenée près de l’atome sera plus proche d’un type de charge que de l’autre.
Certaines molécules, comme celles de l’eau, ont une séparation de charge inhérente et sont donc appelées molécules polaires. La figure 7 illustre la séparation des charges dans une molécule d’eau, qui comporte deux atomes d’hydrogène et un atome d’oxygène (H2O). La molécule d’eau n’est pas symétrique : les atomes d’hydrogène sont repoussés d’un côté, ce qui donne à la molécule une forme de boomerang. Les électrons d’une molécule d’eau sont plus concentrés autour du noyau d’oxygène, plus chargé, qu’autour des noyaux d’hydrogène. Cela rend l’extrémité oxygène de la molécule légèrement négative et laisse les extrémités hydrogène légèrement positives. La séparation inhérente des charges dans les molécules polaires permet de les aligner plus facilement avec les champs et les charges externes. Les molécules polaires présentent donc des effets de polarisation plus importants et ont des constantes diélectriques plus élevées. Ceux qui étudient la chimie constateront que la nature polaire de l’eau a de nombreux effets. Par exemple, les molécules d’eau rassemblent les ions de manière beaucoup plus efficace car elles disposent d’un champ électrique et d’une séparation des charges pour attirer les charges des deux signes. De plus, comme il a été mis en évidence dans le chapitre précédent, l’eau polaire constitue un écran ou un blindage des champs électriques dans les molécules hautement chargées qui présentent un intérêt dans les systèmes biologiques.
Figure 7. Conception d’artiste d’une molécule d’eau. Il y a une séparation inhérente de la charge, et donc l’eau est une molécule polaire. Les électrons de la molécule sont attirés par le noyau d’oxygène et laissent un excès de charge positive près des deux noyaux d’hydrogène. (Notez que le schéma de droite est une illustration approximative de la répartition des électrons dans la molécule d’eau. Il ne montre pas les nombres réels de protons et d’électrons impliqués dans la structure.)
Explorations PhET : Laboratoire de condensateur
Explorez le fonctionnement d’un condensateur ! Changez la taille des plaques et ajoutez un diélectrique pour voir l’effet sur la capacité. Changez la tension et observez les charges accumulées sur les plaques. Observez le champ électrique dans le condensateur. Mesurez la tension et le champ électrique.
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Résumé de section
- Un condensateur est un dispositif utilisé pour stocker une charge.
- La quantité de charge Q qu’un condensateur peut stocker dépend de deux facteurs principaux-la tension appliquée et les caractéristiques physiques du condensateur, comme sa taille.
- La capacité C est la quantité de charge stockée par volt, ou C=\frac{Q}{V}\\.
- La capacité d’un condensateur à plaques parallèles est C={\epsilon }_{0}\frac{A}{d}\\\ , lorsque les plaques sont séparées par l’air ou l’espace libre. {\epsilon }_{\text{0}} est appelée la permittivité de l’espace libre.
- Un condensateur à plaques parallèles avec un diélectrique entre ses plaques a une capacité donnée par C=\kappa\epsilon_{0}\frac{A}{d}\\\\\\\, où κ est la constante diélectrique du matériau.
- La valeur maximale du champ électrique au-dessus de laquelle un matériau isolant commence à se décomposer et à conduire est appelée rigidité diélectrique.
Questions conceptuelles
- La capacité d’un dispositif dépend-elle de la tension appliquée ? Qu’en est-il de la charge qui y est stockée ?
- Utilisez les caractéristiques de la force de Coulomb pour expliquer pourquoi la capacité devrait être proportionnelle à la surface de la plaque d’un condensateur. De même, expliquez pourquoi la capacité devrait être inversement proportionnelle à la séparation entre les plaques.
- Donnez la raison pour laquelle un matériau diélectrique augmente la capacité par rapport à ce qu’elle serait avec de l’air entre les plaques d’un condensateur. Quelle est la raison indépendante pour laquelle un matériau diélectrique permet également d’appliquer une plus grande tension à un condensateur ? (Le diélectrique augmente donc C et permet un plus grand V.)
- Comment le caractère polaire des molécules d’eau permet-il d’expliquer la constante diélectrique relativement importante de l’eau ? (Voir la figure 7.)
- Des étincelles se produisent entre les plaques d’un condensateur rempli d’air à une tension plus faible lorsque l’air est humide que lorsqu’il est sec. Expliquez pourquoi, compte tenu du caractère polaire des molécules d’eau.
- L’eau a une grande constante diélectrique, mais elle est rarement utilisée dans les condensateurs. Expliquez pourquoi.
- Les membranes des cellules vivantes, y compris celles des humains, sont caractérisées par une séparation des charges à travers la membrane. Effectivement, les membranes sont donc des condensateurs chargés avec des fonctions importantes liées à la différence de potentiel à travers la membrane. De l’énergie est-elle nécessaire pour séparer ces charges dans les membranes vivantes et, si oui, sa source est-elle la métabolisation de l’énergie alimentaire ou une autre source ?
Figure 8. La membrane semi-perméable d’une cellule présente différentes concentrations d’ions à l’intérieur et à l’extérieur. La diffusion déplace les ions K+ (potassium) et Cl- (chlorure) dans les directions indiquées, jusqu’à ce que la force de Coulomb arrête tout transfert supplémentaire. Il en résulte une couche de charge positive à l’extérieur, une couche de charge négative à l’intérieur, et donc une tension à travers la membrane cellulaire. La membrane est normalement imperméable au Na+ (ions sodium).
Problèmes & Exercices
- Quelle charge est stockée dans un condensateur de 180 μF lorsqu’on lui applique 120 V ?
- Trouver la charge stockée lorsque 5.50 V est appliqué à un condensateur de 8,00 pF.
- Quelle charge est stockée dans le condensateur de l’exemple 1?
- Calculez la tension appliquée à un condensateur de 2,00 μF lorsqu’il contient 3,10 μC de charge.
- Quelle tension doit être appliquée à un condensateur de 8,00 nF pour stocker 0.160 mC de charge ?
- Quelle capacité est nécessaire pour stocker 3,00 μC de charge à une tension de 120 V ?
- Quelle est la capacité de la borne d’un grand générateur de Van de Graaff, sachant qu’il stocke 8,00 mC de charge à une tension de 12,0 MV ?
- Trouvez la capacité d’un condensateur à plaques parallèles ayant des plaques de surface 5,00 m2 qui sont séparées par 0,100 mm de téflon.
- (a)Quelle est la capacité d’un condensateur à plaques parallèles ayant des plaques de surface 1,50 m2 qui sont séparées par 0,0200 mm de caoutchouc néoprène ? (b) Quelle charge contient-il lorsqu’on lui applique 9,00 V ?
- Concepts intégrés. Un farceur applique 450 V à un condensateur de 80,0 μF, puis le lance à une victime sans méfiance. Le doigt de la victime est brûlé par la décharge du condensateur à travers 0,200 g de chair. Quelle est l’augmentation de température de la chair ? Est-il raisonnable de supposer l’absence de changement de phase ?
- Résultats déraisonnables. (a) Un certain condensateur à plaques parallèles a des plaques de surface 4,00 m2, séparées par 0,0100 mm de nylon, et stocke 0,170 C de charge. Quelle est la tension appliquée ? (b) Qu’est-ce qui est déraisonnable dans ce résultat ? (c) Quelles hypothèses sont responsables ou incohérentes ?
Glossaire
Condensateur : dispositif qui stocke une charge électrique
Capacité : quantité de charge stockée par unité de volt
Diélectrique : matériau isolant
Contrainte diélectrique : champ électrique maximal au-dessus duquel un matériau isolant commence à se décomposer et à conduire
Condensateur à plaques parallèles : deux plaques conductrices identiques séparées par une distance
Molécule polaire : une molécule avec une séparation inhérente de la charge
Solutions choisies aux problèmes & Exercices
1. 21,6 mC
3. 80,0 mC
5. 20,0 kV
7. 667 pF
9. (a) 4,4 μF ; (b) 4,0 × 10-5 C
11. (a) 14,2 kV ; (b) La tension est déraisonnablement grande, plus de 100 fois la tension de rupture du nylon ; (c) La charge supposée est déraisonnablement grande et ne peut être stockée dans un condensateur de ces dimensions.
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