capacité électrique mind map

Comprendre le sujet

La capacité électrique mesure l'aptitude d'un conducteur ou d'un composant à stocker des charges électriques sous une différence de potentiel donnée. Cette carte mentale couvre la définition du farad, le fonctionnement des condensateurs, les associations en série et en parallèle, l'énergie stockée, les diélectriques et les applications pratiques, des circuits électroniques aux mémoires informatiques.

Ce que mesure la capacité
La capacité traduit une relation simple : pour une tension appliquée donnée, un composant de grande capacité stocke plus de charges qu'un composant de petite capacité. Le farad, unité du Système international, correspond à un coulomb par volt. En pratique, le farad est une unité énorme : les condensateurs usuels vont du picofarad au millifarad, et les supercondensateurs, qui atteignent plusieurs farads, utilisent des mécanismes de stockage différents des condensateurs classiques. La capacité d'un conducteur isolé dépend de sa forme et de son environnement, tandis que celle d'un condensateur dépend surtout de la surface des armatures, de leur distance et de la nature de l'isolant qui les sépare.

Série ou parallèle : une inversion utile
Les associations de condensateurs suivent des règles inverses de celles des résistances. En parallèle, les armatures reliées sont au même potentiel, les tensions sont donc égales et les charges s'additionnent : les capacités s'ajoutent directement. En série, c'est la charge qui est identique dans chaque condensateur, car les armatures reliées forment un ensemble isolé globalement neutre ; les tensions se répartissent et l'inverse des capacités s'additionne. La capacité équivalente en série est donc toujours inférieure à la plus petite des capacités, alors qu'en parallèle elle dépasse chaque capacité individuelle. Ce point inverse des résistances est une source classique d'erreurs lors des exercices.

Le rôle du diélectrique
Insérer un isolant entre les armatures augmente la capacité d'un facteur εr, la permittivité relative du matériau. Sous l'effet du champ électrique, les charges du diélectrique se déplacent légèrement : il apparaît une polarisation qui crée un champ interne opposé au champ extérieur. La tension totale diminue pour une même charge, donc la capacité augmente. Ce gain a une limite : si le champ dépasse la rigidité diélectrique du matériau, un claquage survient et l'isolant devient conducteur, souvent de façon irréversible. Le choix d'un condensateur impose donc de considérer à la fois sa capacité et la tension maximale admissible.

Charge, décharge et constante de temps
Dans un circuit résistance-condensateur, la tension aux bornes du condensateur n'atteint pas instantanément sa valeur finale : elle évolue de façon exponentielle. La constante de temps τ, produit de la résistance par la capacité, fixe l'échelle de durée du phénomène. Après une durée égale à τ, la charge atteint environ 63 % de sa valeur finale ; après cinq constantes de temps, elle en est très proche. Ce comportement explique l'usage des condensateurs pour temporiser des circuits, filtrer des signaux variables ou lisser une tension redressée dans les alimentations. La décharge suit la même loi exponentielle décroissante.