Document d`accompagnement des programmes de sciences

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APPORT DE L’INFORMATIQUE DANS L’ETUDE
D’UNE UNITE SPECIFIQUE (E6)
THEME : ETUDE D’UN DIPOLE ACTIF : LE CONDENSATEUR
PREAMBULE :
L’expérimentation qui suit peut être conduite sous forme de classe laboratoire :
- d’une part avec les appareils de mesure habituels (voir expériences 1 et 2), avec possibilité
de réaliser également un T.P. cours ;
- d’autre part à l’aide de l’outil informatique.
Ce document suggère différentes activités ; il n’a pas la prétention de présenter une leçon modèle.
1 - OBJECTIFS :
- Faire observer aux élèves les périodes de charge et de décharge d’un condensateur avec des
appareils usuels : ampèremètre et voltmètre ;
- Enregistrer puis exploiter à l’aide d’un micro-ordinateur, d’une interface et d’un logiciel de
traitement les courbes u(t) et i(t) en enchaînant les périodes de charge et de décharge ;
- Déterminer le modèle mathématique permettant d’interpréter l’une des périodes ;
- Déterminer expérimentalement la capacité d’un condensateur.
2 - LE MATERIEL :
- alimentation stabilisée réglable de E = 0 V à E = 30 V
- lampe 6 V ; 0,3 A
- condensateur électrochimique C = 1 000 F
- inverseur bipolaire
- boîtes de résistances à décades (ou des dipôles résistifs dont les résistances sont indiquées ci-
après)
- ampèremètres analogiques, calibre 10 mA
- voltmètre numérique
- micro-ordinateur, interface, logiciel de traitement des acquisitions et éventuellement tablette de
rétroprojection.

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3 - EXPERIENCE 1 :
E = 6 V
Lampe 6 V ; 0,3 A
C = 1 000 F
- On vérifie l’état de fonctionnement de la lampe.
- On ajuste la tension aux bornes du générateur à 6 V (si le générateur n’a pas d’indication de tension, on
place un voltmètre à ses bornes) ; on observe que la lampe n’éclaire pas.
- On augmente progressivement la tension aux bornes du générateur jusqu’à 24 V ; on observe que la lampe
n’éclaire pas.
- On conclut que le condensateur ne conduit pas en régime continu ; on peut faire remarquer que si l’on relie
directement après cette expérience le condensateur à la lampe, celle-ci éclaire vivement un bref instant ; le
condensateur a emmagasiné de l’énergie.
4 - EXPERIENCE 2 :
Mise en évidence expérimentale des périodes de charge et de décharge.
E = 20 V
C = 1 000 F
R1 = R2 = 5 000 
Interrupteur en position 1. L’ampèremètre A1 révèle le passage d’un courant dont l’intensité décroît, pendant
que le voltmètre mesure une tension qui augmente jusqu’à atteindre sensiblement celle du générateur ; (si le
générateur n’a pas d’indication de tension, on place un voltmètre à ses bornes).
Le condensateur fonctionne en récepteur.
Puis interrupteur en position 2. L’ampèremètre A2 révèle le passage d’un courant dont l’intensité décroît
pendant que le voltmètre mesure une tension qui décroît progressivement ; le condensateur fonctionne en
générateur.
En modifiant les valeurs de R1 et R2 on observe un ralentissement ou une accélération des phénomènes
précédemment observés.
2
0
1
A2
A1
R2
R1
V

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On interprète les phénomènes observés en expliquant la présence d’un courant dans chacun des
circuits pendant deux périodes dites de charge et de décharge. Le condensateur est un dipôle actif.
Commentaires :
- Il est conseillé de prendre une grande constante de temps pour l’observation des phénomènes ;
RC = 5 000 x 1 000.10-6 = 5 s
temps de charge  = 5RC = 25 s
- Il est recommandé de prendre des ampèremètres analogiques (qui peuvent parfois apparaître
périmés par rapport aux appareils numériques) ; l’élève observe la déviation progressive de
l’aiguille, mettant bien en évidence le passage d’un courant. Par contre il est judicieux de prendre un
voltmètre numérique de grande impédance afin d’éviter la décharge du condensateur dans le
voltmètre.
- On attire l’attention de l’élève sur la polarité des ampèremètres, notamment pour le n° 2 ! (mise en
évidence du condensateur fonctionnant soit en récepteur, soit en générateur).
- Bien qu’en fixant une constante de temps très longue, il n’est pas aisé de faire relever aux élèves
les valeurs de la tension ou de l’intensité au cours du temps. L’utilisation d’un système informatisé
devient très intéressant.
5 - EXPERIENCE 3 :
Enregistrement des courbes u = f(t) et i = f(t) pendant les périodes de charge et de décharge d’un
condensateur, à l’aide d’un système informatisé.
Schéma du système : E = 20 V C = 1 000 F R = 10 k
interrupteur bipolaire à
3 positions
(6 douilles de branchement)
1
2
masseentrée Y1 entrée Y2
IINTERFACE MICRO-ORDINATEUR
1
0
R
relais
0

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Précautions concernant le système :
- Concernant la masse, le problème est le même que sur un oscilloscope. La masse de l’interface
n’est pas obligatoirement isolée de la terre.
- L’interface utilisée dans cette expérimentation possède deux entrées appelées dans ce document
Y1 et Y2 , par comparaison avec un oscilloscope. Ces entrées supportent des tensions comprises
entre
-30 V et +30 V.
L’interface dispose d’autre part d’un relais qui bascule de la position 0 à la position 1 dès que l’on
déclenche l’enregistrement d’une mesure.
Réglages du système informatisé :
L’interface et l’ordinateur sont utilisés pour les mesures comme multimètres (un voltmètre et un
ampèremètre).
- Entrée Y1 : on choisit de mesurer une tension.
- Entrée Y2 : on choisit de mesurer l’intensité d’un courant continu ; on indique la valeur R du
dipôle résistif aux bornes duquel est mesurée la tension : R = 10 k. L’ordinateur calcule I = U/R.
De même que sur un oscilloscope, on visualise un courant à l’aide de la tension aux bornes d’un
dipôle résistif étalon.
- Lorsque le générateur est branché, la tension mesurée en Y1 est positive, celle mesurée en Y2 est
négative ; on rend cette dernière positive (changement de signe comme sur un oscilloscope).
- Automatisme : on effectue un relevé de mesures toutes les secondes (t = 1 s, entre deux mesures
consécutives) ; cet automatisme du système permet aussi d’enregistrer le temps de mesure.
L’enregistrement des mesures :
- On commute l’inverseur en positon 1 ; le générateur est donc mis en circuit, mais le circuit de
charge est toujours ouvert par le relais en position 0.
- On indique à l’ordinateur d’effectuer les mesures ; dès le déclenchement de celles-ci, le relais
bascule en position 1, ce qui permet de synchroniser la mesure n° 1 au temps t = 0.
- On observe chaque seconde la valeur de la tension et celle de l’intensité.
- Au temps t = 40 s, on bascule l’inverseur en position 2, ce qui permet de faire suivre
immédiatement la période de décharge à celle de la charge ; on observe que l’intensité devient
négative (inversion du sens du courant dans R).
- Au temps t = 80 s, on arrête les mesures.
- On visualise les courbes de charge et de décharge, après avoir déterminé les axes du repère :
- en abscisses : le temps t
- en premier axe d’ordonnées : la tension u
- en deuxième axe d’ordonnées : l’intensité i
- On sauvegarde sur le disque dur ou sur disquette les mesures avec un nom de fichier.
- On imprime les courbes (document élève pour exploitation).

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Interprétation des courbes u(t) et i(t) :
- Les élèves indiquent sur le graphique les périodes de charge et de décharge du condensateur.
- Pendant la période de charge, la tension aux bornes du condensateur augmente pendant que
l’intensité du courant dans le circuit de charge diminue.
- Pendant la période de décharge, la tension aux bornes du condensateur diminue pendant que
l’intensité du courant dans le circuit de décharge diminue en valeur absolue ; l’intensité du courant
est devenue négative, par inversion du sens du courant dans R.
- On observe que la tension et l’intensité ne varient pas de manière linéaire au cours du temps, ce
qui est une première approche dans la recherche d’un modèle mathématique ; on observe également
que l’axe des abscisses est asymptote à trois parties de courbes.
Commentaires :
- On peut modifier la valeur de R, mais si l’on veut mesurer l’intensité, il faudra prendre une valeur
parmi celles proposées par l’ordinateur lors des réglages.
- Sur la courbe i(t), il y a lieu d’expliquer aux élèves que i ne prend pas instantanément la valeur
maximale à l’instant 0 (comme du reste pour l’ampèremètre A1 dans l’expérience 2). De même au
temps t = 40 s, i ne passe pas instantanément de 0 à -1 200 A.
- On peut également interpréter les résultats à partir du tableau des valeurs enregistrées.
- Les réglages du système informatisé sont faciles ; deux élèves réalisent l’un le montage, l’autre les
réglages. Il est entendu que le professeur aura expliqué préalablement le fonctionnement de ce
système informatisé.
Diagrammes u(t) , i(t)
u (V) i (A)
t (s)
u (V) i (A)
i(t)
u(t)
CHARGE
DECHARGE