Capacitance
Source : Yong P. Chen, PhD, département de physique & astronomie, Faculté des sciences, Université de Purdue, West Lafayette, Indiana
Cette expérience…
1. charge d’un condensateur
- Obtenir un condensateur commercial avec capacité C = 470 µF (ou une valeur similaire), une source de tension programmables et un ampèremètre (ou multimètre qui peut mesurer le courant).
- Avec la source de tension définie à 0 V, raccordez la borne « + » de la source de tension aux bornes du condensateur, avec l’ampèremètre entre les deux et raccordez la « − » de la source de tension à l’autre borne, comme dans la Figure 1. La connexion peut être établie avec les câbles avec des pinces ou des fiches banane en recevant des ports sur le condensateur et les instruments.
- Changer la source de tension de 0 V à 1 V (dans environ 1 s), et observez le transitoire actuel de lecture sur l’ampèremètre. Faites de même pour les 2 V, 5 V et 10 V (pour chaque tension cible ; cela signifie premier aller retour à 0 V, puis basculez la tension cible dans environ 1 s). Notez que le courant transitoire est plus grand pour une plus grande tension de cible, comme prévu de l’équation 2.
- Programme la source de tension pour générer une rampe de tension de 0 V à 10 V à 5 s et d’enregistrer la lecture de « état stationnaire » de l’amp-compteur au milieu de la rampe. Répéter pour une durée de rampe de 10 s, 20 s et 30 s. intrigue le courant observé par rapport à la vitesse de montée de tension (en V/s).
2. réglage de la capacité
- Éteignez la source de tension et remplacez-la par une batterie V 300 et remplacer l’ampèremètre par une résistance de MΩ 1 (cette résistance vise à fournir une protection supplémentaire pour limiter le courant dans le circuit) ; remplacer le condensateur commercial avec un condensateur à plaques parallèles avec une séparation réglable entre les plaques.
- Procurez-vous un voltmètre haute impédance (ou « électromètre ») et connectez-le pour mesurer la différence de tension V entre les deux plaques (la haute impédance empêche la décharge du condensateur au cours de l’expérience lorsque l’électromètre est connecté). Voir la Figure 5.
- Connecter la batterie V 300 pour le condensateur à plaques parallèles, attendre que l’électromètre atteint l’état d’équilibre de 300 V (maintenant le condensateur est complètement chargé par la source de V 300) et puis déconnecter rapidement la source de tension des plaques. Voir la Figure 6. L’électromètre doit toujours lire 300 V.
- Maintenant augmenter la distance d entre les plaques à des valeurs plus élevées comme 15 mm, 10 mm et 5 mm et observer et enregistrer la tension correspondante de lecture sur l’électromètre (V) ; terrain V par rapport à d.
- Augmenter d retour à ~ 20 mm, insérer une plaque en plastique entre les deux plaques et observer ce qui arrive à V lu par l’électromètre. La réduction de V entre les résultats de plaques (avec charge Q fixé dans ce cas) de la plus grande ε de la constante diélectrique du plastique (par rapport à l’air) comme le support du condensateur (voir équations 1 et 3).
3. parallèle et série Capacitances
- Obtenir un capacimètre (un « RLC » ou un multimètre avec un mode de mesure de capacité) ; obtenir une carte de prototypage pour faciliter les connexions électriques dans cette partie de l’expérience.
- Obtenir deux condensateurs « céramiques » commerciales avec une capacité de 1 µF et le capacimètre permet de vérifier leur capacité, comme illustré Figure 2.
- Connectez les deux condensateurs en parallèle et le capacimètre permet de mesurer la capacité totale (entre les points A et B, voir Figure 3).
- Connectez les deux condensateurs en série et le capacimètre permet de mesurer la capacité totale (entre les points A et B, voir Figure 4).
Figure 3: diagramme montrant deux condensateurs reliés en parallèle.
Figure 4: diagramme montrant deux condensateurs reliés en série.
Figure 5: Schéma montrant la charge d’un condensateur à l’aide d’une source de tension, lors de la lecture de la tension avec un électromètre.
Figure 6: après avoir rapidement déconnecté de la source de tension dans la Figure 5, la tension et la charge sur le condensateur doivent rester.
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Un condensateur est essentiel dans les circuits car il résiste aux changements de tension en stockant des charges égales et opposées sur ses bornes conductrices, puis en fournissant de l’énergie lorsque l’alimentation en tension baisse.
Un condensateur est composé de deux bornes conductrices, telles que les deux plaques d’un « condensateur à plaques parallèles », séparées par un matériau isolant ou un espace. Lorsqu’une tension est appliquée à travers un condensateur, il consomme du courant. Cela fait que les électrons s’accumulent sur une plaque tandis qu’ils sont repoussés sur l’autre, stockant ainsi des charges égales et opposées sur les deux plaques.
La capacité du composant à stocker la charge est appelée capacité et est mesurée en unités appelées Farads.
Cette vidéo utilise un condensateur à plaque parallèle pour illustrer le concept de capacité et sa dépendance aux facteurs physiques et à la configuration du réseau.
Lorsqu’une source d’alimentation est appliquée à un circuit, le condensateur tire du « courant de charge » jusqu’à ce que ses conducteurs soient complètement chargés. La quantité de charge 'Q' qu’un condensateur peut stocker dépend de la capacité 'C' du composant et de l’amplitude de la tension fournie 'V'.
Lorsque la tension baisse, la charge des conducteurs du condensateur circule vers le circuit, générant du courant jusqu’à ce que la charge stockée soit épuisée, stabilisant ainsi la fluctuation de la tension. Le courant est le taux de variation du montant des frais. En combinant cela avec l’équation précédente, nous pouvons dire que le flux de courant sortant du condensateur est la capacité multipliée par le taux de variation de la tension.
La valeur de C est constante pour un condensateur donné, et peut être obtenue en utilisant cette équation, qui montre que C est directement proportionnel à A - la surface de la plaque, d - la distance d’écart, et epsilon - la constante diélectrique ou « permittivité » du matériau isolant entre les plaques.
La constante diélectrique est une mesure de la mesure dans laquelle le matériau se polarise dans un champ électrique.
Ainsi, étant donné la relation entre epsilon et C, et C et Q ; À une tension donnée, plus la permittivité est élevée, plus la capacité de stockage de charge du condensateur sera élevée.
Le vide a une constante diélectrique de 8,85 x 10-12 Farads par mètre, notée ?0. D’autres milieux ont généralement des valeurs de permittivité plus élevées, qui sont mises à l’échelle à ?0 et appelées permittivité « relative » du milieu. Par exemple, la permittivité relative de l’air est d’environ un, les polymères varient de 2 à 4 et l’eau distillée est de 80.
Maintenant que les propriétés physiques affectant la capacité ont été expliquées, voyons comment mesurer la capacité dans des éléments capacitifs individuels ou en réseau.
Pour commencer, rassemblez les matériaux suivants : un condensateur commercial d’une capacité proche de 470 micro farad, une source de tension programmable et un ampèremètre ou un multimètre capable de mesurer le courant.
Ensuite, avec la source de tension réglée sur 0 V, connectez sa borne positive à l’ampèremètre. Connectez ensuite l’autre port de l’ampèremètre au condensateur, à l’aide de câbles avec des pinces ou des fiches bananes. Cela permet de mesurer le courant de sortie du condensateur. Ensuite, connectez le port négatif de la source de tension à l’autre borne du condensateur.
Ensuite, commutez la source de tension de 0 à 1 V et observez la lecture du courant transitoire sur l’ampèremètre. Ensuite, ajustez la tension à 0 avant d’augmenter à 2 V, 5 V et enfin 10 V. Pour chaque tension cible, prévoyez une seconde de repos à 0 V entre les changements de tensions cibles. Observez le courant transitoire lorsque la tension change.
Comme prédit par l’équation, le courant transitoire devrait être plus important pour une tension cible plus élevée.
Enfin, programmez la source de tension pour générer une rampe de tension de 0 V à 10 V sur 5 secondes, et enregistrez la lecture de l’ampèremètre à l’état stationnaire à mi-rampe. Ensuite, répétez l’opération pour des temps de rampe de 10 s, 20 s et 30 s.
Maintenant, obtenez un condensateur à plaques parallèles avec séparation réglable entre les plaques et utilisez une batterie de 300 V comme source de tension. Remplacez l’ampèremètre par une résistance de 1 méga-ohm. Cette résistance offre une protection supplémentaire limitant le flux de courant dans le circuit.
Deuxièmement, connectez un voltmètre à haute impédance, ou électromètre, entre les deux plaques afin de mesurer la différence de tension.
Ensuite, connectez la batterie au condensateur et attendez que l’électromètre atteigne également l’état stable de 300 V, indiquant que le condensateur est complètement chargé. Débranchez ensuite rapidement la batterie des plaques. L’électromètre doit toujours indiquer 300 V.
Répétez la mesure après avoir diminué la distance entre les plaques à 15, 10 et 5 mm.
Enfin, avec une distance de 20 mm entre les plaques de condensateur, insérez une plaque de plastique entre les deux plaques et observez ce qu’il advient de la lecture de tension de l’électromètre.
Pour le condensateur commercial, le graphique du courant mesuré en fonction du taux de rampe de tension révèle une relation linéaire entre les deux paramètres.
Cela est conforme à la relation fondée sur cette équation, que nous avons dérivée plus tôt dans la vidéo. Selon l’équation, la pente de la droite est égale à la capacité.
Pour le condensateur à plaques parallèles à charge fixe, le tracé de la tension entre les plaques en fonction de la distance entre les plaques est linéaire. Cela confirme à nouveau les relations théoriques. Nous savons que la capacité et la distance entre les plaques sont inversement proportionnelles. Nous savons également que lorsque la charge du conducteur est fixe, la capacité et la tension sont également inversement proportionnelles. La combinaison de ces deux équations révèle que la tension et la distance entre les plaques sont directement proportionnelles l’une à l’autre lorsque la charge est fixe.
Cette équation prédit également qu’avec une charge fixe, plus la constante diélectrique du milieu d’écart est grande, plus la tension entre les plaques serait faible. Cela a été confirmé lorsque l’air dans l’espace a été remplacé par du plastique et que nous avons constaté une baisse de la lecture du voltmètre.
Les condensateurs sont utilisés dans une grande variété d’applications techniques et scientifiques pour stocker la charge et décharger sélectivement l’électricité.
Les condensateurs sont essentiels pour le traitement du signal électrique. Par exemple, les biologistes ont utilisé un test à deux choix pour évaluer comment les souris reconnaissent et réagissent à différentes vocalisations ultrasonores. Tout d’abord, les fichiers audio sont enregistrés à partir de souris en direct et coupés à l’aide de filtres passe-haut pour sélectionner la fréquence.
Les circuits de filtrage passe-haut utilisent des condensateurs pour bloquer les oscillations à basse fréquence, car la conduction entre les plaques de condensateur augmente généralement aux fréquences plus élevées et diminue aux basses fréquences. Ensuite, des sons à fréquence variable sont diffusés simultanément à deux endroits distincts, ce qui permet aux souris de migrer vers la vocalisation préférée.
Alors que les alimentations secteur sont en courant alternatif avec un courant fluctuant, de nombreux appareils électroniques, tels que les ordinateurs, nécessitent une alimentation en courant continu. Les condensateurs sont utilisés dans les adaptateurs d’alimentation CA pour filtrer les signaux électriques et stabiliser l’alimentation CC, fournissant ainsi une source douce et ininterrompue.
Vous venez de regarder l’introduction de JoVE aux condensateurs. Vous devriez maintenant comprendre le concept de capacité, comment mesurer ce paramètre physique et comment des propriétés telles que la distance entre les plaques ou le matériau de l’espace affectent la valeur de la capacité. Comme toujours, merci d’avoir regardé !
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Q1: What is capacitance and how does a capacitor store charge?
Capacitance is the ability of a capacitor to store charge, measured in Farads. A capacitor consists of two conductive plates separated by an insulating material. When voltage is applied, electrons accumulate on one plate while being repelled from the other, creating equal and opposite charges. This charge storage stabilizes voltage fluctuations in circuits.
Q2: How does plate separation affect capacitance in a parallel plate capacitor?
Capacitance is inversely proportional to the distance between plates. As the gap distance decreases, capacitance increases, allowing the capacitor to store more charge at the same voltage. This relationship is described by the equation C = εA/d, where d is the plate separation, A is plate area, and ε is the dielectric constant.
Q3: What role does dielectric material play in capacitor performance?
The dielectric material between capacitor plates determines the permittivity, or dielectric constant, which directly affects charge storage capacity. Materials with higher permittivity values, such as distilled water with a relative permittivity of 80 compared to air's value of one, enable capacitors to store significantly more charge at a given voltage.
Q4: How is current related to voltage changes in a capacitor?
Current flowing through a capacitor equals capacitance multiplied by the rate of voltage change over time. When voltage changes rapidly, larger transient currents flow. This relationship explains why capacitors pass high-frequency signals while blocking low-frequency oscillations, making them useful in high-pass filter circuits for resistor capacitor resistor inductor and inductor capacitor circuits.
Q5: What happens when a capacitor discharges after the voltage supply is removed?
When voltage is disconnected, stored charge flows from the capacitor's conductors back into the circuit, generating current until the charge is depleted. This discharge process stabilizes voltage fluctuations by supplying energy when the external voltage supply drops, making capacitors essential for maintaining steady electrical signals.
Q6: How do capacitors function in AC power adapters and signal processing?
Capacitors filter electrical signals and stabilize DC supplies in AC power adapters, providing smooth, uninterrupted power to devices like computers. In signal processing, capacitors in high-pass filter circuits block low-frequency oscillations while allowing higher frequencies to pass, enabling selective frequency filtering in applications like ultrasonic vocalization analysis.
Q7: What physical factors determine the capacitance value of a parallel plate capacitor?
Capacitance depends on three physical factors: plate surface area (A), gap distance (d), and the dielectric constant (ε) of the insulating material. The relationship is C = εA/d, showing capacitance increases with larger plate area and higher permittivity, but decreases as the gap distance increases.