Charge et décharge d'un condensateur
Petite expérience simple
Comme on peut le vérifier simplement à l’aide du montage ci-contre, un condensateur ne laisse pas passer le courant continu : l’ampoule reste éteinte, montrant que le courant ne circule pas, bloqué par le diélectrique du condensateur. On peut en déduire qu'un condensateur présente une résistance très élevée, théoriquement infinie, au courant continu.
Matériel :
- source d'alimentation à courant continu ; tension de 4 à 6 V
- condensateur électrochimique d'une capacité minimum de 1000 µF et de tension de service supérieure à 16 volts.
- ampoule de lampe de poche (1,2 à 3,5 volts). Intensité la plus faible possible
- l'interrupteur peut être simulé en branchant ou débranchant une connexion manuellement.
Deuxième essai
Remplaçons simplement l'ampoule par un indicateur de passage du courant plus sensible : un milliampèremètre, en l'occurrence un contrôleur universel branché sur le calibre 100 ou 500 mA continu. Il importe d'utiliser un contrôleur à aiguille car ce qui va nous intéresser est beaucoup plus le mouvement de l'aiguille que la valeur indiquée.
Au moment ou le circuit est fermé on observe une brutale déviation de l'aiguille qui revient ensuite assez rapidement à zéro. Il est possible de ralentir le phénomène en utilisant un condensateur de forte capacité (100000µF) ou en mettant une résistance en série dans le circuit. On peut alors relever la courbe ci-dessous. C'est la représentation graphique de la variation d'intensité dans le condensateur en fonction du temps.
Courbe de l'intensité pendant la charge
On peut décomposer la courbe en plusieurs parties :
- A : le circuit est ouvert, le courant est nul.
- B : à l'instant t on ferme le circuit et un fort courant traverse instantanément le condensateur.
- C : le courant commence à décroître, d'abord très vite puis de plus en plus lentement au fur et à mesure que le temps passe (partie D).
On a l'impression que l'aiguille ne reviendra jamais à zéro, le courant tend vers une valeur nulle sans jamais l'atteindre.
Tension au bornes du condensateur pendant la charge
Le montage ci-contre permet d'observer la variation de tension aux bornes du condensateur pendant la charge du condensateur. Une résistance R limite le courant traversant le condensateur et ralentit sa charge, ce qui permet d'observer plus tranquillement le phénomène. Pour un condensateur C de 2200µF on prendra R égale à 1000 ohms environ, ainsi la charge dure plusieurs secondes.
Comme pour l'expérience précédente on commencera par décharger le condensateur en court-circuitant ses bornes pendant quelques secondes.
La courbe de charge du condensateur ressemble à celle de la figure ci-dessous. On remarquera l'air de famille de cette courbe avec celle de l'intensité traversant le condensateur lors de la charge. Il y a toutefois une différence fondamentale : le courant est maximum lorsque la tension est minimum, au début de la charge, tandis que le courant est quasiment nul lorsque la tension aux bornes du condensateur approche la tension de la pile.
Influence des valeurs de R et de C
Celui qui dispose des condensateurs et résistances de valeurs différentes pourra effectuer une série d'expériences en faisant varier d'abord la valeur de la résistance R et ensuite la capacité C du condensateur. On devine qu'un condensateur de 100µF mettra moins de temps à se charger qu'un de 2200µF. De même, on se doute qu'une résistance de 1000 ohms, en s'opposant plus énergiquement au passage du courant allongera la durée de la charge du condensateur.
Sur la figure ont été tracées les courbes de charge (tension U aux bornes de C en fonction du temps) de deux couples R-C. Pour la même valeur de C la courbe (1) correspond à une résistance environ deux fois plus faible que celle de la courbe (2).
Energie stockée dans un condensateur
Un condensateur emmagasine de l'énergie, pour s'en convaincre il suffit de charger un condensateur de très forte capacité (100 mF soient 100 000 µF) avec une pile de 4,5 volts et de brancher l'ampoule de lampe de poche correspondante aux bornes du condensateur pour que celle-ci s'éclaire pendant deux ou trois secondes. Cette quantité d'énergie (assez faible) peut être conservée pendant très longtemps. En tant que réservoir d'énergie on ne peut comparer un condensateur à un accumulateur, ce dernier utilise une réaction chimique, phénomène complètement différent de celui qui se produit dans le condensateur. En contrepartie un condensateur peut supporter un nombre théoriquement infini de cycles charge-décharge et ce, à des tensions qui peuvent dépasser des centaines de volts, s'il a été conçu pour cela, bien sûr.
Précautions
Les condensateurs de valeurs supérieures à 1 µF sont la plupart du temps polarisés, c'est à dire qu'une des deux électrodes doit être reliée au + et l'autre au - de la pile sous peine de détérioration du condensateur. Leur utilisation avec des courants variables doit être effectuée en respectant cette règle.
En général ces condensateurs ont des tensions de service plutôt faibles : 10 volts et parfois moins. Il importe de ne pas les soumettre à des surtensions même brèves.
Le filtrage du courant redressé dans une alimentation haute tension (pour appareils à tubes, par exemple) est assuré par des condensateurs. Plusieurs heures après mise hors tension de l'alimentation les condensateurs de filtrage peuvent encore être chargés à des tensions atteignant plusieurs centaines de volts donc très dangereuses pour la durée de vie de l'expérimentateur.
Petite expérience simple
Comme on peut le vérifier simplement à l’aide du montage ci-contre, un condensateur ne laisse pas passer le courant continu : l’ampoule reste éteinte, montrant que le courant ne circule pas, bloqué par le diélectrique du condensateur. On peut en déduire qu'un condensateur présente une résistance très élevée, théoriquement infinie, au courant continu. Matériel :
- source d'alimentation à courant continu ; tension de 4 à 6 V
- condensateur électrochimique d'une capacité minimum de 1000 µF et de tension de service supérieure à 16 volts.
- ampoule de lampe de poche (1,2 à 3,5 volts). Intensité la plus faible possible
- l'interrupteur peut être simulé en branchant ou débranchant une connexion manuellement.
Deuxième essai
Remplaçons simplement l'ampoule par un indicateur de passage du courant plus sensible : un milliampèremètre, en l'occurrence un contrôleur universel branché sur le calibre 100 ou 500 mA continu. Il importe d'utiliser un contrôleur à aiguille car ce qui va nous intéresser est beaucoup plus le mouvement de l'aiguille que la valeur indiquée.Au moment ou le circuit est fermé on observe une brutale déviation de l'aiguille qui revient ensuite assez rapidement à zéro. Il est possible de ralentir le phénomène en utilisant un condensateur de forte capacité (100000µF) ou en mettant une résistance en série dans le circuit. On peut alors relever la courbe ci-dessous. C'est la représentation graphique de la variation d'intensité dans le condensateur en fonction du temps.
Courbe de l'intensité pendant la charge
On peut décomposer la courbe en plusieurs parties :- A : le circuit est ouvert, le courant est nul.
- B : à l'instant t on ferme le circuit et un fort courant traverse instantanément le condensateur.
- C : le courant commence à décroître, d'abord très vite puis de plus en plus lentement au fur et à mesure que le temps passe (partie D).
On a l'impression que l'aiguille ne reviendra jamais à zéro, le courant tend vers une valeur nulle sans jamais l'atteindre.
Tension au bornes du condensateur pendant la charge
Le montage ci-contre permet d'observer la variation de tension aux bornes du condensateur pendant la charge du condensateur. Une résistance R limite le courant traversant le condensateur et ralentit sa charge, ce qui permet d'observer plus tranquillement le phénomène. Pour un condensateur C de 2200µF on prendra R égale à 1000 ohms environ, ainsi la charge dure plusieurs secondes.Comme pour l'expérience précédente on commencera par décharger le condensateur en court-circuitant ses bornes pendant quelques secondes.
La courbe de charge du condensateur ressemble à celle de la figure ci-dessous. On remarquera l'air de famille de cette courbe avec celle de l'intensité traversant le condensateur lors de la charge. Il y a toutefois une différence fondamentale : le courant est maximum lorsque la tension est minimum, au début de la charge, tandis que le courant est quasiment nul lorsque la tension aux bornes du condensateur approche la tension de la pile.
Influence des valeurs de R et de C
Celui qui dispose des condensateurs et résistances de valeurs différentes pourra effectuer une série d'expériences en faisant varier d'abord la valeur de la résistance R et ensuite la capacité C du condensateur. On devine qu'un condensateur de 100µF mettra moins de temps à se charger qu'un de 2200µF. De même, on se doute qu'une résistance de 1000 ohms, en s'opposant plus énergiquement au passage du courant allongera la durée de la charge du condensateur. Sur la figure ont été tracées les courbes de charge (tension U aux bornes de C en fonction du temps) de deux couples R-C. Pour la même valeur de C la courbe (1) correspond à une résistance environ deux fois plus faible que celle de la courbe (2).
Energie stockée dans un condensateur
Un condensateur emmagasine de l'énergie, pour s'en convaincre il suffit de charger un condensateur de très forte capacité (100 mF soient 100 000 µF) avec une pile de 4,5 volts et de brancher l'ampoule de lampe de poche correspondante aux bornes du condensateur pour que celle-ci s'éclaire pendant deux ou trois secondes. Cette quantité d'énergie (assez faible) peut être conservée pendant très longtemps. En tant que réservoir d'énergie on ne peut comparer un condensateur à un accumulateur, ce dernier utilise une réaction chimique, phénomène complètement différent de celui qui se produit dans le condensateur. En contrepartie un condensateur peut supporter un nombre théoriquement infini de cycles charge-décharge et ce, à des tensions qui peuvent dépasser des centaines de volts, s'il a été conçu pour cela, bien sûr.
Précautions
Les condensateurs de valeurs supérieures à 1 µF sont la plupart du temps polarisés, c'est à dire qu'une des deux électrodes doit être reliée au + et l'autre au - de la pile sous peine de détérioration du condensateur. Leur utilisation avec des courants variables doit être effectuée en respectant cette règle.
En général ces condensateurs ont des tensions de service plutôt faibles : 10 volts et parfois moins. Il importe de ne pas les soumettre à des surtensions même brèves.
Le filtrage du courant redressé dans une alimentation haute tension (pour appareils à tubes, par exemple) est assuré par des condensateurs. Plusieurs heures après mise hors tension de l'alimentation les condensateurs de filtrage peuvent encore être chargés à des tensions atteignant plusieurs centaines de volts donc très dangereuses pour la durée de vie de l'expérimentateur.
