Comment un condensateur peut-il stocker une charge tout en faisant passer du courant?

On dit souvent que les condensateurs stockent la charge. Juste en lisant Wikipédia , je trouve:

Daniel Gralath a été le premier à combiner plusieurs bocaux en parallèle dans une "batterie" pour augmenter la capacité de stockage des charges . Benjamin Franklin a enquêté sur le pot de Leyde et est arrivé à la conclusion que la charge était stockée sur le verre, pas dans l'eau comme d'autres l'avaient supposé.

Parce que les conducteurs (ou plaques) sont proches les uns des autres, les charges opposées sur les conducteurs s'attirent en raison de leurs champs électriques, permettant au condensateur de stocker plus de charge pour une tension donnée que si les conducteurs étaient séparés, ce qui donne au condensateur une grande capacité .

Ici Q est la charge stockée dans le condensateur

La charge est mesurée en coulombs, et je sais de la définition de la capacité que si un condensateur 1F a une tension de 1V, alors 1C de charge y est stocké. Si un coulomb est de 6.241 × 10 ¹⁸ électrons, alors il devrait y avoir 6.241 × 10 ¹⁸ électrons dans ce condensateur quelque part.

Mais considérez maintenant ceci. Si j'utilise un condensateur comme charge pour une source de tension CA, un courant circulera (la quantité précise en fonction de la tension, de la fréquence et de la capacité):

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Je sais que le courant circule tout autour de ce circuit, car si je mets une ampoule de chaque côté du condensateur, il s'allumera. Mais si le courant circule autour de ce circuit, comment le condensateur "stocke-t-il la charge"? En d'autres termes, comment puis-je mettre des électrons dans le condensateur si le courant circule autour du circuit, ce qui signifie que pour tous les électrons que je mets dans le condensateur, le même nombre sort de l'autre côté? Si je ne peux pas mettre d'électrons sans en retirer, alors comment le condensateur peut-il les stocker?

C'est facile. Un condensateur ne stocke pas de charge, il stocke de l' énergie . La charge nette dans un condensateur complet (plutôt que de considérer une seule plaque ou l'isolant) ne change jamais. Une augmentation de la charge négative sur une plaque est exactement équilibrée par une diminution de la charge négative sur l'autre plaque. Par conséquent, lorsque le courant entre dans un terminal, un courant égal doit quitter l'autre terminal.

C'est une sorte de version cartoon, mais ça marche dans ma tête.

Il y a un espace isolant dans le condensateur, de sorte que les électrons individuels ne peuvent pas voyager d'une borne à l'autre. Donc les électrons qui entrent ne sont pas les mêmes qui sortent de l'autre côté! Au lieu de cela, les électrons entrants "s'arrêtent" sur une plaque. Mais le champ électrique de cet électron repousse un électron de l'autre côté, qui sort de l'autre plaque pour finalement atteindre la source. Nous avons un circuit complet, mais les électrons s'accumulent sur une plaque et les trous s'accumulent sur l'autre!

Maintenant, il y a une limite au nombre d'électrons qui peuvent s'accumuler sur la plaque. Les électrons se repoussent, donc plus il y en a, plus il est difficile pour un autre de coller. Nous avons besoin de quelque chose qui les oblige à rester ensemble dans l'assiette. C'est la tension. Inversement, le fait que les électrons tentent de se repousser est également une tension, une force essayant de déplacer des électrons autour d'un circuit.

Désormais, lorsqu'un électron entrant se détache de l'autre plaque, l'électron sortant a moins d'énergie que celui entrant, ce qui explique la chute de tension aux bornes du condensateur chargé.

Bien sûr, les électrons ne s'arrêtent pas, même s'ils n'ont nulle part où aller à l'échelle macro. Ils se repoussent tous, "rebondissent" sur le champ électrique de l'autre. Si ces champs deviennent trop intenses (la tension devient trop élevée), les interactions peuvent faire pénétrer un électron dans la barrière diélectrique entre les plaques. Lorsque la tension aux plaques devient trop élevée, le courant de fuite du capuchon augmente. Et si cela dure trop longtemps, le diélectrique est endommagé et vous n'avez plus de très bon capuchon.

La charge peut signifier beaucoup de choses. Nous pouvons parler de charger un condensateur avec de l'énergie, comme nous chargeons des bombes ou des cartes de crédit prépayées. Nous pouvons également prendre la charge électrique , qui est mesurée en coulombs.

Environ 6.241 × 10 ¹⁸ électrons font en effet 1C de charge. Cependant, lorsque les gens parlent de charge dans un condensateur , ils ne parlent pas d'électrons dans un condensateur, comme on parlerait de cookies dans un pot à biscuits. Ils parlent d'autre chose. C'est déroutant, mais c'est ce qu'ils font de toute façon.

Ce dont ils parlent en fait, c'est l' intégrale du courant. C'est-à-dire, le courant moyen qui circule, fois combien de temps il circule. Si le courant est mesuré en ampères et le temps en secondes, alors quand vous prenez le courant et le multipliez par le temps, vous obtenez une chose mesurée en ampères-secondes. Et, si vous vous en souvenez, un ampère signifie un coulomb par seconde. Donc:

Autrement dit, un ampère-seconde est un coulomb. L'intégrale du courant est la charge . Donc, quand quelqu'un dit qu'un condensateur "stocke 1C de charge", cela ne signifie pas qu'il y a 1C d'électrons dans le condensateur, cela signifie que 1C de charge a traversé le condensateur. Le condensateur «stocke» autant de charge dans le sens où il contient maintenant suffisamment d'énergie pour repousser 1C de charge dans l'autre sens.

Il vaut mieux considérer un condensateur comme un dispositif de stockage d'énergie que comme un dispositif de stockage de charges. Lorsque le courant circule dans un condensateur, une tension s'accumule aux bornes. Cette tension est séparée par la distance entre les plaques et crée ainsi un champ électrique. Ce champ est l'endroit où l'énergie est stockée. Les inducteurs, quant à eux, stockent de l'énergie avec des champs magnétiques.

À mesure que le courant circule, des charges opposées s'accumulent sur chaque plaque opposée du condensateur. Les électrons tentent de contourner le circuit, mais ils s'arrêtent à la plaque du condensateur, laissant une charge négative d'un côté et une charge positive de l'autre. L'ampleur de chaque charge peut être décrite par l'équation:

C = Q / V

Le courant continuera de circuler et la charge continuera de s'accumuler jusqu'à ce que le circuit avec le condensateur soit stable. Par exemple, si le circuit était simplement une batterie, une résistance et un condensateur en série, le courant continuerait à circuler jusqu'à ce que la tension du condensateur soit égale à la tension de la batterie. Ainsi, dans un circuit CC en régime permanent, où aucun courant ne change, un condensateur apparaît comme un circuit ouvert avec la charge accumulée proportionnelle à la tension aux bornes et à la capacité.

Cependant, pour tout circuit qui n'est pas CC, une meilleure façon de décrire le comportement des condensateurs est:

I = C * (dV / dt)

Par conséquent, si vous avez une source de tension à onde sinusoïdale, le courant qui traverse "le condensateur" change constamment et la charge accumulée n'est jamais stable. Imaginez basculer une bouteille d'eau à moitié pleine d'avant en arrière. L'eau ne coule pas en continu comme le courant dans un circuit CC, mais elle continue de fonctionner. Si vous aviez un appareil à turbine bizarre dans la bouteille d'eau, il tournerait constamment, ne s'arrêtant que pour changer de direction lorsque la bouteille est basculée dans l'autre sens.

Enfin, dans un circuit DC, des charges égales et opposées sont stockées sur chaque plaque latérale du condensateur. Le condensateur ne stocke pas du tout d'électrons. Il stocke une charge. Les électrons d'un côté se déplacent tout autour du circuit de l'autre côté comme provoqué par une différence de tension externe. Le résultat est une concentration d'électrons d'un côté et une absence de l'autre, une charge. Dans un circuit alternatif, ce même phénomène se produit, mais change constamment. Dès que la tension d'alimentation change, les électrons ne sont pas attirés par les plaques de la même manière et commencent à se mobiliser. Si ces électrons traversent une charge, comme une ampoule, en cours de route, ils fonctionneront et l'ampoule s'allumera. Ainsi, le courant ne circule pas réellement autour du circuit. Il s'agit simplement de faire des allers-retours comme de l'eau dans une bouteille. cependant, pour allumer l'ampoule, il suffit de déplacer des électrons. L'ampoule ne se soucie pas de la façon dont elle se déplace et vos yeux ne peuvent pas percevoir le changement de direction tant que la vitesse de commutation est suffisamment rapide.

Je voudrais également noter que nous parlons de condensateurs idéaux. En pratique, à des fréquences suffisamment élevées, les condensateurs ressembleront à des inductances (V = L * (di / dt)).

Éditer:

Pour répondre à la question spécifique: Où est stockée la charge dans un condensateur?

Dans un condensateur complet, aucune charge nette n'est stockée. Cependant, en utilisant le modèle à plaques parallèles , égaux et opposés de charges Q d'amplitude sont situés sur chacune des plaques. Lorsqu'une tension externe est appliquée à un condensateur, les électrons fuient de la plaque avec un potentiel plus élevé et sont attirés vers la plaque avec un potentiel plus faible. Ces électrons accumulés forment une charge négative sur cette plaque et l'absence d'électrons de l'autre plaque forme une charge positive. La grandeur réelle de chaque charge totale Q est déterminée par la tension V et la capacité C.