Fabrication du condensateur B

LABORATOIRE 6

CAPACITÉ FAIBLE

BUTS Fabriquer un condensateur Mesurer la capacité d un condensateur de faible capacité à l aide d un oscilloscope

MANIPULATIONS A- Fabrication du condensateur Vous devez fabriquer un condensateur plan en utilisant des armatures de papier d aluminium séparées par du papier ciré. Vous avez besoin de deux feuilles de papier d aluminium d environ 26 cm de longueur (vous devez mesurer les dimensions précises de vos feuilles d aluminium), de deux bandelettes d aluminium d environ 4 cm par 10 cm (qui serviront d électrodes de branchement) et de deux feuilles de papier ciré d environ 35 cm de longueur (assurez-vous de connaître l épaisseur de la feuille de papier ciré, mesurée avec un micromètre ou donnée par le professeur). Vous pouvez coller les électrodes en place à l aide d une petite quantité de ruban gommé au besoin. Remarque : la vis du micromètre ne doit être manipulée que par la molette à son extrémité, qui limite la pression au serrage. Toute force supérieure peut fausser la mesure et ultimement désajuster/endommager l instrument. Si vous ne savez pas/plus comment effectuer une mesure sur le micromètre, observez son fonctionnement pour le comprendre. Indice : déterminez l avance de la vis à chaque tour du manchon).

B- Calcul de la capacité à partir des dimensions du condensateur Puisque vous connaissez les dimensions des armatures et leur séparation (épaisseur du papier ciré), vous pouvez calculer la capacité théorique à partir d une équation vue dans votre cours. Remarque : en raison de l enroulement, les deux faces de chaque feuille métallique servent d armatures en portant des charges de même signe. On a donc l équivalent de deux paires de feuilles métalliques constituant le condensateur.

C- Mesure de la capacité à l aide de l oscilloscope 1. 2. 3.

Vous devez rouler votre condensateur sur lui-même comme indiqué sur la figure, en faisant attention aux éléments suivants : les feuilles d aluminium ne se touchent pas; chaque bandelette touche à une feuille d aluminium; les bandelettes dépassent de chaque côté lorsque vous roulez le condensateur pour pouvoir les brancher; il n est pas nécessaire que le rouleau soit très mince (diamètre de départ entre 1 cm et 1,5 cm, mais faites en sorte que les tours d enroulement soit bien serrés les uns sur les autres pour assurer une distance constante entre les armatures, sur toute la superficie. lors de vos mesures, placez votre rouleau sous une pile de livres pour qu il soit bien compressé et pour minimiser l espace entre les armatures.

4.

5.

1

Mesurer la valeur précise de la résistance à l aide d un ohmmètre. Ajuster le générateur d onde de façon à avoir une onde carrée ayant une fréquence de 100Hz. Activez le bouton « CMOS LEVEL » est enfoncé et assurez-vous que les câbles sont branchés à la borne correspondante COMS/TTL. Dans ce mode, le bas de l onde carrée sera fixe et le contrôle d amplitude n ajustera que le voltage maximal. Il sera alors facile de fixer à 10 V le voltage V0 en considérant le bas à 0 V. Brancher directement le générateur d onde à l oscilloscope et ajuster la tension crête-à-crête (Vmax Vmin) à 10V à l aide du bouton rotatif « CMOS LEVEL » (utilisez « Auto Set » pour localiser le signal et utilisez l écran au maximum en affichant verticalement 2 V/division). Considérez que les plateaux du bas de l onde sont à 0 V et ceux du haut à 10 V, même si l oscilloscope place la valeur 0 V vers le centre de l onde. À 100 Hz, la tension alternative appliquée sur votre condensateur sera alors nulle et constante durant 0,005 s, et ensuite constante à 10 V durant 0,005 s. Votre condensateur est donc alternativement dans un circuit de charge et un circuit de décharge. Localisez sur la gauche de l écran la flèche blanche qui indique en permanence la position V = 0 selon l appareil. Monter ensuite le circuit comprenant le générateur d onde, la résistance et le condensateur en série. Brancher

6.

l oscilloscope de façon à mesurer la différence de potentiel du condensateur. (Attention : en suivant le sens du courant, traverser d abord la résistance, ensuite le condensateur; et la borne négative de l oscilloscope doit être branchée du même côté que la borne négative du générateur d onde.) Ajuster l échelle de temps de l oscilloscope de façon à observer que les variations de potentiel ne sont pas instantanées mais présentent une évolution exponentielle. C est la courbe que vous voulez accentuer et étudier. Ajuster la fréquence de la source et l échelle de temps de l oscilloscope de façon à rendre évidente la forme exponentielle de ces courbes (deviendra un zigzag ou série de vagues, voir figure).

Utilisez les curseurs verticaux (rouges) pour déterminer le potentiel aux deux instants choisis. Ce sont les valeurs V0 et Vt. Remarque : lors de la décharge, chaque point peut être considéré comme le moment initial « du reste de la décharge ». C est pourquoi n importe quel point peut jouer le rôle de potentiel maximal V0 (initial). Ainsi il n est pas nécessaire d utiliser 10 V comme valeur de potentiel maximal (d ailleurs, la charge n a peut-être jamais atteint 10 V). Vous pouvez maintenant calculer la capacité, en considérant que l intervalle de temps noté est le temps requis pour que la charge chute de V0 à Vt. Phase de charge Durant la charge, on peut à nouveau considérer deux points de la courbe pour faire le calcul de la capacité. Cependant, deux considérations supplémentaires sont nécessaires.

7.

Le potentiel de la source ne peut être ignoré, même si on choisit deux points qui surviennent avant la charge entière du condensateur. V0 sera donc égal à 10 V même si la courbe n atteint pas ce potentiel (c est le potentiel qu elle atteindrait si on lui laissait un long temps de charge. Le temps après lequel le potentiel Vt est atteint doit être calculé à partir du réel début de la charge. L un des deux points utilisés doit donc être le point initial de la charge. (Si le condensateur ne s était pas déchargé entièrement lors de la décharge précédente, il faut tout de même évaluer l instant hypothétique du début de la charge, soit l instant où V = 0 V et appartenant à la courbe de charge considérée.)

À ce stade, vous devriez pouvoir constater qu en appuyant sur votre pile de livres, vous pouvez modifiez la forme de votre courbe et ainsi affecter la capacité. Tâchez de trouver une configuration constante de façon à conserver constante la valeur de capacité durant toutes vos mesures.

Utilisez à nouveau les curseurs pour fixer les deux points utilisés et relever les valeurs de temps et potentiel. À nouveau, utilisez un point où la courbure est encore perceptible. Calculer finalement la capacité à l aide des valeurs notées.

Prise de données et analyse via l oscilloscope Aux bornes d un condensateur, le potentiel se comporte comme la charge, puisque Q(t) = Q0e-t/RC (en décharge) et Q = C· V. Donc : V(t) = V0e-t/RC. L équation concernant la charge présente une forme différente (vue en classe), mais surtout, la façon de relever les valeurs sur l oscilloscope diffère lors des deux phases.

D- Mesure de la capacité réelle à l aide d un capacimètre Un capacimètre vous permet de mesurer la capacité réelle d un condensateur. Branchez votre condensateur au capacimètre installé dans le laboratoire et mesurez la capacité en faisant tourner uniquement la molette principale (à droite). Les flèches éclairées vous indiquent dans quel sens tourner pour converger vers la valeur réelle. Notez correctement la capacité indiquée, en prenant soin de noter la position de la virgule (donnée par un voyant lumineux sur le cadran). Cette mesure sera considérée comme votre valeur de réelle et servira de référence pour la comparaison avec les autres valeurs obtenues.

Phase de décharge Si vous connaissez le potentiel pour deux instants dont vous connaissez l intervalle, vous êtes en mesure de calculer la capacité de votre condensateur. À l aide des curseurs horizontaux (bleus), choisissez deux instants dans la courbe de décharge. Le premier peut être au début de la chute ou tout près, le second dans le bas de la courbe, là où la courbure est encore assez perceptible. Notez l intervalle entre les deux curseurs.

2

Attention! Pour avoir la même capacité que durant votre expérience, votre condensateur devrait être compressé de la même façon que lors des manipulations précédentes.

RAPPORT Calculs de la capacité à partir des dimensions du condensateur. Comparaison avec la valeur réelle et discussion. Calculs de la capacité à partir des mesures durant la charge et durant la décharge. Comparaisons avec la valeur réelle et discussion. Date de remise : ________________

3