Le condensateur, réservoir d'énergie

Programmes : AP2, A-level, Tle, Sek I/II

Objectif¶

Vérifier qu’un condensateur chargé stocke de l’énergie et peut alimenter une ampoule.

Le montage¶

Une source de 6 V, un interrupteur (fermé), une résistance de 10 Ω et un condensateur de 0,47 F en série (un condensateur d’une telle capacité est un supercondensateur : un assemblage de cellules de faible résistance interne, prévu pour 6 V et plus) ; en dérivation sur le condensateur — une ampoule de 6 V / 0,5 W et un voltmètre. Au chargement de l’expérience, le condensateur est déchargé et commence à se charger.

Protocole¶

Attendez environ 20 s que l’indication du voltmètre cesse d’augmenter, et notez-la.
Ouvrez l’interrupteur et observez l’ampoule et le voltmètre.
Calculez l’énergie stockée \(W = C \cdot U^2 / 2\) à partir de la tension de l’étape 1.

Résultat attendu

Après le chargement de l’expérience, l’ampoule brille de plus en plus à mesure que le condensateur se charge ; au bout de 15–20 s, la tension à ses bornes se stabilise à environ 5,2 V — une partie de la tension chute aux bornes de la résistance de 10 Ω. Après l’ouverture de l’interrupteur, l’ampoule ne s’éteint pas d’un coup mais faiblit progressivement pendant environ une demi-minute : elle est alimentée par le condensateur, et la tension à ses bornes diminue. L’énergie stockée est d’environ 0,47 · 5,2² / 2 ≈ 6,3 J.

Questions¶

D’où vient l’énergie quand l’interrupteur est ouvert ?
Comment la durée d’éclairage changera-t-elle si vous utilisez un condensateur de capacité deux fois plus grande ?

Réponses

Du champ électrique du condensateur chargé. Tant que l’interrupteur était fermé, la source y a stocké environ 6,3 J ; après l’ouverture de l’interrupteur, le condensateur se décharge à travers l’ampoule, et sa tension diminue à mesure que cette énergie se transforme en chaleur et en lumière dans le filament.
La durée d’éclairage double, jusqu’à environ une minute. Sous la même tension de 5,2 V, le condensateur stocke deux fois plus d’énergie, environ 12,7 J, et l’ampoule appelle le même courant à chaque tension, donc la tension diminue deux fois moins vite ; la charge à l’étape 1 dure aussi deux fois plus longtemps.