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PHYSIQUE
Champ électrique et condensateurs plans
1103/JJR
Buts
- Améliorer la compréhension du condensateur plan et du champ électrique qui s'y
forme
- Discuter les questions posées dans le cadre de la simulation PHET.
- Effectuer des mesures de capacité sur des cas réels en variant les paramètres
possibles (surface et distance des plaques), déterminer expérimentalement la
constante d'influence et la valeur de quelques constantes diélectriques (voir plus loin
dans le texte).
- Rédiger un rapport complet (selon structure donnée en classe) sur la partie
expérimentale de ce TP.
Indications pratiques - délai
Le TP se déroule sur deux séances. Un rapport manuscrit sur la partie
expérimentale, structuré et soigné, est à rendre le jeudi suivant la deuxième séance.
Le simulateur est disponible en tout temps sur les ordinateurs du labo, comme à
domicile, moyennant un accès internet. Il fonctionne sur Mac comme sur PC dans le
cadre d'une machine Java.
Les mesures expérimentales doivent être planifiées puis faites avec diligence
compte tenu du matériel restreint, pour libérer le matériel pour les autres groupes.
Partie concernant le simulateur
Utiliser les réglages par défaut à l'ouverture du fichier.
Ouvrir le lien : http://phet.colorado.edu/en/simulation/capacitor-lab
Cliquer sur Run Now une seule fois et patienter le temps de chargement du fichier.
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1.
En utilisant les réglages par défaut à l'ouverture du fichier, ajuster la tension de la
pile au moyen du curseur. Relever ce qu'on observe (charge et courant).
Déconnecter la batterie. Cocher la visualisation des charges et du champ
électrique. Régler l'aire des armatures à 200 mm2 environ. Régler la distance des
armatures à 7.5mm. Cocher le détecteur de champ électrique, la case Show value
doit être activée.
2.
Etudier l'effet de la variation de la charge sur la valeur du champ électrique (sans
changer d'autres paramètres).
3.
Etudier l'effet de la variation de la surface des armatures sur la valeur du champ
électrique (sans changer d'autres paramètres).
4.
Etudier l'effet de la variation de la distance entre les plaques sur la valeur du
champ électrique (sans changer d'autres paramètres). Justifier le résultat obtenu
en se référant à la loi de Gauss.
5.
Que penser de la densité surfacique de charge dans les trois expériences
précédentes ?
Cliquer sur le bouton Reset All
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6. Cocher maintenant l'indicateur de charge et le voltmètre. Pour 8-10
mesures obtenues en variant la tension de la source, relever comment la
charge varie en fonction de la tension appliquée. Etablir un graphique,
discuter du résultat.
Nous allons maintenant varier les dimensions du condensateur. Pour commencer,
décocher tous les indicateurs ainsi que la batterie. Cocher l'indicateur de capacité.
7.
Varier l'aire des armatures et étudier la valeur da la capacité en fonction de ce
paramètre, sans varier la distance entre les armatures (8-10 mesures, graphique).
8.
Varier la distance entre les armatures et étudier la valeur de la capacité en fonction
de ce paramètre, sans varier la surface des armatures (8-10 mesures, graphique).
9.
Déduire des deux expériences précédentes la formule donnant la capacité d'un
condensateur plan et calculer la constante de proportionnalité de la fonction
trouvée (on l'appelle ε0, constante d'influence ou permittivité du vide).
Reconnecter la batterie et régler sa tension à 1.5V. Cocher la vue du champ
électrique et l'indicateur de la charge.
10. Qu'advient-il de la charge quand la distance entre les armatures est augmentée et
pourquoi ?
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11. Qu'advient-il de l'intensité du champ électrique lorsque la distance entre les
armatures est augmentée et pourquoi ?
Régler la distance entre armatures à 5mm et déconnecter la batterie.
12. Qu'advient-il de la charge quand la distance entre les armatures est augmentée et
pourquoi ?
13. Qu'advient-il de la tension du condensateur lorsque la distance entre les plaques
est augmentée et pourquoi ?
14. Qu'advient-il de l'intensité du champ électrique lorsque la distance entre les
armatures est augmentée et pourquoi ?
Cocher maintenant l'indicateur d'énergie stockée dans le condensateur.
15. Discuter la variation de celle-ci lorsqu'on varie la distance entre les armatures.
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16. D'où vient et où va la variation de l'énergie du condensateur ?
17. Rebrancher la pile et répondre une nouvelle fois aux deux questions :
18. Un travail mécanique est-il nécessaire pour augmenter la distance des armatures
? Si oui pourquoi et comment cela est-il compatible avec le fait que l'énergie du
condensateur décroît ? Si non, pourquoi et que penser de la force qui s'exerce
entre les deux armatures ?
Partie concernant l'expérience
On utilise deux tôles d'aluminium et un capacimètre sensible ; divers diélectriques
peuvent aussi être utilisés (verre, papier, bois). On pourra donc :
-
déterminer la capacité du condensateur plan en fonction de la surface de la partie
des armatures qui se font face
-
déterminer la capacité du condensateur plan en fonction de la distance qui sépare
ses armatures
-
déduire de ces deux expériences la valeur de la constante d'influence
-
déterminer la constante diélectrique de quelques matériaux
-
rédiger un rapport complet (selon la structure donnée en cours) sur cette partie
expérimentale. NB: on pourra utiliser avec profit les expériences simulées ainsi
que des tirages obtenus par le simulateur pour évoquer les éléments théoriques.
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