condensateur

ACTIVITE PHYSIQUE N°7 TS

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LE CONDENSATEUR

Activité physique N°7

Le condensateur Objectifs •

Connaître la définition d'un condensateur et son symbole.

•

Savoir qu'un condensateur est un dipôle est capable d’emmagasiner ou de stocker des charges électriques.

•

Connaître la relation charge-tension aux bornes d'un condensateur.

Activité préparatoire L’une des préoccupations des chercheurs du 18ième siècle est de stocker des charges électriques en quantités suffisantes dans un dispositif transportable afin d’en faire usage pour des applications médicales. En 1745, à Leyde, ville de Hollande, le professeur Petrus Van Musschenbroek et son assistant Andreas Cunaeus, réussissent à accumuler et à conserver des charges électriques en utilisant une bouteille en verre, à moitié remplie d’eau. La bouteille est entourée d’une feuille métallique. Son ouverture est obturée par un bouchon de liège percé d’une tige métallique plongeant dans l’eau. C’est la naissance de la « bouteille d e Leyde », ancêtre du condensateur. A la même époque, le physicien allemand Ewald Von Kleist découvre aussi le principe du condensateur. La pile, quant à elle, ne sera découverte qu’en 1880 par Alessandro Volta. 1.

Quels sont les conducteurs et les isolants cités dans le texte ?

2.

Quels porteurs de charges permettent la circulation d’un courant dans un conducteur métallique ?

3.

Dans un flash d’appareil photo, on utilise souvent un condensateur. Quel est selon vous le rôle du condensateur ?

4.

Dans la nature dans certaines circonstances, les nuages et la Terre constituent un immense condensateur. Quel phénomène cet immense condensateur peut-il déclencher ?

1.

Le dipôle "condensateur" son aptitude à stocker les charges électriques

Constitution ; représentation Un condensateur est un dipôle constitué de deux surfaces métalliques, appelées armatures séparées par un isolant appelé diélectrique ( vide, air sec, mica, alumine, …). En électricité on représente le condensateur par deux traits qui symbolisent les armatures et deux bornes reliées chacune à une armature : l’espace entre les armatures est le diélectrique.

Comportement d’un condensateur lorsqu’il est soumis à une tension constante Un générateur délivrant une tension constante E est susceptible d’alimenter deux branches d’un circuit montées en dérivation : ¾

La première branche est l’association en série condensateur et d’une DEL, diode électroluminescente ;

¾

La deuxième branche est l’association série d’une résistance et d’une lampe.

V uAB

d’un

Les armatures du condensateur ne portent initialement aucune charge électrique. Fermer l’interrupteur. Observer la DEL, la lampe et le voltmètre.

A

B DEL

Observations 1.

résistance

Que constatez-vous au niveau de la DEL et de la lampe ?

lampe K

-

+

2.

Que constatez-vous au niveau du voltmètre ? E

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LE CONDENSATEUR

Interprétation 1.

Comment évolue l’intensité du courant électrique dans la résistance ?

2. Comment évolue l’intensité du courant dans le condensateur ? Justifier alors le qualificatif de transitoire donné au courant qui traverse le condensateur.

3.

Comment évolue la tension uAB aux bornes du condensateur ?

4. Le courant électrique détecté dans la branche du condensateur peut-il traverser les armatures ? Donner un argument. 5.

Que s’est-il passé nécessairement au niveau des armatures ?

5bis. Schématiser d’une couleur le sens du courant dans les branches du circuit et d’une autre couleur le sens de circulation des électrons dans la branche du condensateur. 6. Quel est le signe des charges déposées sur l’armature reliée à la borne + du générateur ? A la borne - ? Expliquer brièvement pourquoi.

7

Indiquer sur le schéma, les signes des charges placées sur les deux armatures

8. Comment varie la charge qA de l’armature A du condensateur ? Proposer une explication. Comparer au sens de variation de la tension. uAB . 9.

Expliquer pourquoi le courant finit par s’annuler.

10. En définitive quel rôle joue le condensateur dans cette expérience ?

On admettra par la suite que les charges qA et qB portées respectivement par les armatures A et B sont opposées à tout instant: qA = - qB

2. Charge et décharge d’un condensateur On a réalisé le montage ci-contre.

1

2

Le condensateur ne contient au départ aucune charge sur ses armatures.

K R

On abaisse l’interrupteur K en position 1 ( phase 1). Qu’observe-t-on au niveau des DEL et du voltmètre ?

+ DEL 1

E

On abaisse K en position 2 ( phase 2 ). Qu’observe-t-on au niveau des DEL et du voltmètre?

-

DEL 2 A

V B

uAB

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LE CONDENSATEUR

Interprétation 1.

Pourquoi appelle-t-on la phase 1 charge du condensateur ( se référer au paragraphe 1 ) ?

2.

Pendant la phase 2, comment varie la tension uAB ? Comment varie l’intensité du courant ?

3. Le condensateur est supposé chargé. Placer sur le schéma, l’interrupteur en position 2. Représenter alors sur ce schéma les charges initiales des armatures, le sens du courant dans la partie de circuit concerné pendant cette phase ainsi que le sens de circulation des charges électriques. 4. Déduire de ce qui précède l’évolution de la charge qA de l’armature A du condensateur. Quel nom peut-on donner à la phase 2 ?

3. Y a-t-il une relation entre la charge et la tension ? Capacité d’un condensateur Dans le montage ci-contre on fait débiter un générateur de courant dans le condensateur, c’est à dire un générateur délivrant une intensité constante I. Dans ce montage : ¾

un ampèremètre permet de mesurer I.

¾

un voltmètre permet de suivre l’évolution de la tension uAB au cours du temps.

I = cste

K

+

A

générateur de courant

-

Mesures

B

L’interrupteur K est ouvert au départ et le condensateur est initialement déchargé.

-

qA + + + +

A

I = cste

uAB

Déclencher le chronomètre à la date t = 0 en fermant simultanément K. Noter les valeurs de la tension toutes les 10 s et noter la valeur de I.

V

Consigner les relevés dans le tableau ci-après. I = ……… μA = …………….. A uAB ( mV) uAB (V) t (s)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

qA (C) 1.

Donner, en utilisant le mot débit une signification physique de l’intensité d’un courant électrique.

2. Quelle relation traduisant la définition de l’intensité du courant existe-t-il entre I , qA et t et donner les unités internationales des grandeurs mises en jeu ainsi que leurs symboles.

3.

En utilisant la relation précédente, remplir les lignes manquantes du tableau.

4. Tracer sur papier millimétré l’allure de la courbe qA = f (uAB ) avec qA ( exprimé en coulomb ) et uAB. ( exprimé en V ). 5. Modéliser la courbe par une relation simple numérique entre qA et uAB. Quelle est l’unité internationale du coefficient numérique.

6. Le coefficient numérique de proportionnalité trouvé est appelé capacité du condensateur. Elle est exprimée en farad (F) dans le système international.

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LE CONDENSATEUR

6.1 Exprimer la valeur de la capacité du condensateur utilisé dans l’expérience avec l’unité sous-multiple adaptée. 6.2 Comparer avec la valeur affichée par le constructeur :1000 μF. 7. Le schéma ci-contre représente, à une date t , un condensateur, les charges q(t) et - q(t) de ses armatures ainsi que la tension u(t) à ses bornes ( schéma dit en convention récepteur ),

q(t)

- q(t)

Ecrire la relation simple qui existe entre u(t), q(t) et C, capacité du condensateur (relation charge-tension pour le condensateur ) en précisant les unités internationales utilisées.

8. A partir de la relation charge-tension, donner une signification physique de la capacité d’un condensateur.

u(t)

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Fiche prof Pour le générateur de courant Calibre 200 MΩ

LE CONDENSATEUR