LABORATOIRE 6 CAPACITÉ FAIBLE BUTS MANIPULATIONS A

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