Aurélie 06 /02
charge d'un condensateur

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On réalise un circuit comprenant un générateur basse fréquence, une résistance et un condensateur. Le générateur délivre une tension u périodique en créneaux de fréquence f= 200Hz qui vaut 0 volt pendant la première demi-période et U=4 V pendent l'autre moitié ; la résistance R vaut R= 100 ohms. Le condensateur a une capacité C.

  1. Etude de l'oscillogramme n°1 :
    L'oscillogramme a été obtenu à l'aide d'un oscilloscope dont on a représenté la façade avant. Le réglage est tel que la durée du balayage correspond à une période de la tension u : plus précisément lorsque le spot est à l'extrémité gauche ou à l'extrémité droite de l'écran, la tension u est en train de passer de 0 à 4V. L'une des courbes correspond à la tension u imposée par le générateur, l'autre à la tension aux bornes de l'un des composants R ou C. Pour chaque voie lorsque le spot est sur la médiane horizontale, la tension est nulle.
    - Que représente la courbe visualisée sur l'entrée B ? Comment appelle t-on le phénomène observé ?

    - Reproduire le schéma du circuit et indiquer les connexions vers les entrées A et B de l'oscilloscope ainsi que celle vers la masse de l'oscilloscope.
    - Quelle est la valeur maximale de la tension aux bornes du condensateur ?
    - En justifiant votre réponse, préciser les sensibilités choisies pour la base de temps et pour la déviation verticale de chaque voie. On donnera les réponses en ms/div et ou en V/div.
    - La capacité C conserve la même valeur. Tracer sur la copie l'allure des courbes obtenues si :
    .... on augmente notablement R (par exemple on multiplie sa valeur par 20)
    .....on diminue notablement R ( par exemple on divise sa valeur par 20)

  2. Etude de l'oscillogramme n°2 : le circuit reste le même. On ne modifie pas le choix des sensibilités de l'oscilloscope, mais celui ci est branché différemment et on obtient l'oscillogramme 2.
    - Que représente la courbe visualisée sur l'entrée B ?
    - Reproduire sur la copie le schéma du circuit en précisant les nouvelles connexions vers l'oscilloscope.
  3. Détermination de la capacité C : le circuit est utilisé pour étudié avec précision la charge du condensateur, c'est à dire l'évolution de la tension uC aux bornes du condensateur( initialement déchargé) en fonction du temps lorsqu'à t=0 la tension aux bornes du générateur passe brutalement de 0 à 4 V.Les notations et conventions adoptés sont les suivantes :
    - Exprimer littéralement chacune des tensions uR et uC.
    - Ecrire la relation vérifiée par les tensions fléchées puis établir l'équation différentielle de la charge, c'est à dire la relation existant ente uC, sa dérivée par rapport au temps et u.
    - Vérifier que la grandeur t=RC a la dimension d'une durée.
    - L'enregistrement de uC en fonction du temps est fourni ci-dessous. Après une durée de charge égale à t, le condensateur a acquis 63% de sa charge maximale. Déterminer la valeur de C.

 


corrigé
oscillogramme n°1 :

B représente la tension aux bornes du condensateur; ce dernier se charge à travers un résistor ( courbe croissante) durant une demi-période puis se décharge ensuite( courbe décroissante).

La tension maximale aux bornes du condensateur chargé est 4 V.

voie B : 2V par divisions et voie A : 1 V par division.

la période vaut 1/ fréquence = 1/ 200 = 5 ms

10 divisions correspondent à 5 ms soit 0,5 ms/div.

le schéma n°1 représente les connexions permettent d'obtenir l'oscillogramme n°1.

le schéma n°2 donne l'évolution de la courbe B lorsque la résistance R varie :

R aumgmente : courbe bleue ( la constante de temps RC augmente et le condensateur n'aura pas le temps de se charger complètement avant le début de la décharge); R diminue courbe rouge.


sur l'oscillogramme n°2 , la courbe B représente la tension aux bornes du résistor, image de l'intensité du courant.

( pour un résistor, tension et intensité sont proportionnelles).

le schéma n°3 représente les nouvelles connexions vers l'oscilloscope.


uR = R i ; uC = q / C ; u = uR + uC .

u = R i + uC avec i = q' = dq / dt et CduC / dt = dq / dt = q'

u = RCduC / dt + uC . équation différentielle


R est en ohm soit des volt divisé par des ampères : [V] [A]-1.

C est en farad soit des coulomb divisé par des volts [C] [V]-1.

charge en coulomb = intensité en ampère fois temps en seconde soit [A] [s]

par suite RC est en : [V] [A]-1[A] [s][V]-1 soit [s]

sur le graphe on trace la tangente à l'origine : celle ci coupe l'asymptote horizontale à t = t .

on lit t voisin de 3,5 ms = 3,5 10-3 s.

or R= 100 ohms d'où C = t / R = 3,5 10-3 /100 = 3,5 10-5 F = 35 m F.


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