Condensateur et capacité : cours de Terminale spécialité

Dans presque tous les appareils électroniques, on trouve de petits composants qui lissent une tension, filtrent un parasite ou mettent un moteur en route. Beaucoup de ces rôles reposent sur le même composant : le condensateur. Ce phénomène de charge et de décharge est utilisé dans toute l'électronique analogique. ⁶

Ce cours te donne les bases du chapitre d'électricité de Terminale en spécialité physique-chimie : de quoi est fait un condensateur, ce que mesure sa capacité, comment elle dépend de la géométrie, et quelle relation lie le courant à la tension. Ces notions préparent directement la suite : le circuit RC et la charge du condensateur, puis les capteurs capacitifs.

L'épreuve écrite du bac de spécialité s'appuie sur des situations contextualisées, avec des documents, des questions expérimentales et des capacités numériques. ⁴ Tu dois donc savoir utiliser les formules, mais aussi les interpréter : que se passe-t-il si on rapproche les armatures ? Si on change l'isolant ? Si on double la surface ? Ces raisonnements qualitatifs comptent autant que le calcul.

Imagine un sandwich : deux tranches conductrices, et entre elles une couche qui ne laisse pas passer le courant. Cette image est d'ailleurs proche de la fabrication réelle de certains condensateurs, que l'on obtient facilement en superposant des couches en « sandwich ». ²

Puisque l'isolant sépare les deux armatures, aucune charge ne traverse le condensateur en fonctionnement normal. Ce qui se passe, c'est une accumulation : une armature reçoit des charges d'un signe, l'autre armature porte des charges opposées. La charge électrique emmagasinée dépend de la tension appliquée entre les armatures. ⁵

Il existe plusieurs familles de condensateurs. Les modèles polarisés ont un sens de branchement à respecter, les non polarisés non. ² Les condensateurs électrolytiques sont destinés aux fortes capacités : lors de leur première mise sous tension, une réaction chimique crée une couche isolante extrêmement mince sur le métal, ce qui explique leur nom. ⁵ Les supercondensateurs, eux, atteignent des capacités très élevées. ⁵ Pour le programme, on travaille surtout avec le modèle idéal : un composant purement capacitif. ²

Ici, $q$ désigne la charge portée par l'armature considérée, et $u$ la tension entre les armatures. La charge s'exprime en coulombs (C), l'unité utilisée pour parler de charge électrique. ³ Une capacité élevée signifie qu'à tension égale, le condensateur emmagasine plus de charge.

La capacité d'un condensateur se détermine essentiellement par la géométrie des armatures et par la nature de l'isolant. Pour un condensateur plan, une formule simplifiée est souvent utilisée pour estimer sa valeur. ⁵

Les sujets de bac admettent souvent cette expression : on y précise que la capacité du condensateur plan décrit s'écrit sous cette forme, puis on demande de dire si la capacité augmente ou diminue quand on change un paramètre. ³ Il faut donc lire la formule comme un outil de raisonnement.

Jusqu'ici, nous avons considéré la charge. Or en électricité, on mesure plutôt des courants et des tensions. Le courant correspond à la variation de la charge au cours du temps. Pour un condensateur idéal, la relation caractéristique fait intervenir la capacité et la dérivée de la tension par rapport au temps, exprimée en volts par seconde. ⁵

Deux conséquences à bien comprendre :

• Si la tension est constante, sa dérivée est nulle : aucun courant ne circule. En régime continu établi, le condensateur se comporte comme un interrupteur ouvert.
• Si la tension varie vite, le courant peut être important. On ne peut pas imposer une variation brutale de tension sans courant très intense.

En courant alternatif, le condensateur se comporte autrement : on parle de réactance capacitive. ⁶

On appelle charge et décharge les phases où le condensateur échange de la charge avec le reste du circuit. Ce phénomène correspond à un transfert de charge entre les bornes du condensateur et le circuit. ⁶

Prenons un condensateur relié à une résistance. À la fermeture du circuit de décharge, un courant traverse la résistance et les charges des deux bornes s'équilibrent progressivement. ⁶ Le mot important est « progressivement » : la décharge n'est pas instantanée. L'étude quantitative de cette évolution est l'objet du chapitre suivant, le circuit RC.

Un dernier point sur le vocabulaire : on parle de la capacité du condensateur, une propriété du composant, à ne pas confondre avec la capacité électrique d'une pile, grandeur exprimée en coulombs ou en mAh, qui mesure la charge qu'elle peut fournir. ³ Dans un énoncé, regarde toujours l'unité pour savoir de quoi on parle.