CHAMP ELECTRIQUE D UN CONDENSATEUR INTRODUCTION A L INDUCTION

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1 TP ELECTROMAGNETISME R.DUPERRAY Lycée F.BUISSON PTSI CHAMP ELECTRIQUE D UN CONDENSATEUR INTRODUCTION A L INDUCTION PREMIERE PARTIE : CHAMP ELECTRIQUE D UN CONDENSATEUR OBJECTIFS Comprendre la opologie du champ élecrique enre les armaures d un condensaeur Comprendre le lien enre ension e champ élecrique MATERIEL Cuve avec soluion conducrice + plaque Sonde de mesure Volmère Source de ension (alimenaion) papier milliméré 1. PRINCIPE Un condensaeur peu êre modélisé par deux armaures méalliques planes e parallèles. Ces élémens conduceurs permeen la concenraion de charges élecriques e l appariion d un champ!" élecrosaique E. Il es possible de caracériser ce champ vecoriel par la mesure de ensions enre une des armaures du condensaeur e différens poins de l espace siués enre les deux conduceurs. La carographie du champ élecrosaique pourra alors êre déduie de ces mesures. 2. MONTAGE ET MESURES On dispose d un maériel similaire à celui de l illusraion ci-dessous. 1

2 1) Remplir la cuve d un peu de soluion conducrice. Placer une feuille de papier milliméré sous la cuve, en ayan pris soin de racer préalablemen le sysème d axes. Faire coïncider la plaque de gauche avec l axe des ordonnées. 2) + En enan la sonde de mesure du volmère bien droie, la déplacer le long de la plaque reliée au pôle «+» du généraeur. Que consae--on? Sachan qu une équipoenielle es une courbe obenue en relian ous les poins où la grandeur éudiée a la même valeur, peu-on dire que la plaque es une équipoenielle? 3) + En éloignan la sonde de la plaque, e en la déplaçan progressivemen sur les poins d inersecion du quadrillage, reporer sur vore demi feuille de papier milliméré personnelle l ensemble des poins où la ension mesurée vau U = 1,0 V (représener ces poins d une ceraine couleur ; noer vore légende). Même manipulaion pour U = 2,0 V, puis U = 3,0 V jusqu à U = 6,0 V. 3. EXPLOITATION 1) En observan la feuille de papier milliméré, que consae--on? Relier les poins d égales valeurs de ension. Commen appelle--on ces droies? Sachan que les lignes de champ son parou perpendiculaires aux équipoenielles, représener l allure des lignes de champ enre les deux plaques méalliques. Sachan que les lignes de champ son orienées des poeniels élevés vers les poeniels les plus faibles, oriener les lignes de champs racées à la quesion précédene. Les lignes de champ son des courbes orienées pour rendre compe du sens des veceurs représenan la grandeur mesurée. Déduire de l allure des lignes de champ, la direcion e le sens du veceur représenan le champ élecrosaique enre deux plaques. 2

3 2) La valeur du champ élecrosaique E (en V.m -1 ) enre les armaures d un condensaeur plan se déermine en ou poin d abscisse x (en m), par la relaion (cf. cours) E = U x où U es la ension mesurée (en V) quand la sonde es au poin d abscisse x. Calculer la valeur du champ en différens poins de mesure (afin de gagner en précision, on pourra mesurer à nouveau la ension correspondan à des abscisses précises). Que consae--on? Commen peu-on décrire le veceur champ élecrosaique qui règne enre les deux armaures d un condensaeur plan? DEUXIEME PARTIE : INTRODUCTION A L INDUCTION OBJECTIFS Mere en évidence la force de Laplace sur l expérience du rail e en dégager de façon qualiaive les principaux paramères. Mere en évidence le phénomène d inducion par une expérience simple. MATERIEL Une alimenaion coninue de couran de 5 A environ Un aiman en U, une aiguille aimanée Un disposiif rails de Laplace Une bobine Un aiman droi 3

4 1. RAIL DE LAPLACE 1) Effecuer le monage de la phoo ci-dessous 2) Placer la ige mobile, au milieu de l'aiman en U, perpendiculairemen aux rails. Déerminer le sens du champ magnéique au cenre du U, expliquer vore démarche 3) Mere en service la source de couran. Que se passe--il? 4

5 Changer l'orienaion du champ magnéique, refaire l'expérience. Différence par rappor au cas précéden? Changer le sens du couran. Conclusion. Refaire une expérience en plaçan la ige non perpendiculairemen aux rails. Conclusion. 4) La ige parcouru par un couran e plongée dans le champ magnéique es soumise à la force die de Laplace!" "!" " F = Ιl B ou Ι es la valeur du couran qui parcours la ige, l un veceur don le sens es celui du couran e don le!" module es la longueur de la ige e B le champ magnéique auquel es soumis la ige (supposé uniforme ici). Cee force!" "!" dérive de la force de Lorenz F = qv B. 5

6 Assurez-vous que les résulas des expériences précédenes son bien compaibles avec l expression de la force de Laplace. 2. MISE EN EVIDENCE DU PHENOMENE D INDUCTION ELECTROMAGNETIQUE 1) Branchez un volmère aux bornes de la grosse bobine à disposiion. 2) + Approchez vivemen l aiman de la bobine e inroduisez-le à l inérieur, qu observez-vous sur le volmère? Recommencer l expérience en approchan l aiman plus rapidemen de la bobine, qu observezvous de différen sur le volmère par rappor au cas précéden? Qu indique le volmère lorsque l aiman n es plus en mouvemen? L aiman éan placé dans la bobine, reirez-le vivemen e éloignez-le de la bobine. Qu observez vous sur le volmère? 6

7 3) On consae qu une ension apparaî aux bornes de la bobine lors des déplacemens de l aiman. C es le phénomène d inducion. Cee ension s appelle f.é.m. induie (pour force élecromorice). Ce phénomène apparaî dans un circui conduceur lorsque : 1 - On déplace ou l on déforme ce circui dans un champ magnéique consan au cours du emps. 2 - Le circui éan fixe, le champ magnéique dans la région où es le circui varie au cours du emps. Dans le phénomène d inducion, on appelle : Induceur = la source de champ magnéique, ici l aiman. Indui = circui siège du phénomène, ici la bobine. Dans cee expérience, dans quel cas es-on? Jusifier. TROISIEME PARTIE : INDUCTION, APPROCHE QUANTITATIVE OBJECTIFS Observer à l oscilloscope des ensions e courans induis. Vérifier la loi de Lenz. MATERIEL GBF, oscilloscope, résisance Maquee avec deux bobines imbriquées 7

8 1. PREPARATION Le disposiif compore deux bobines imbriquées b 1 e b 2 isolées élecriquemen. Caracérisiques de b 1 : bornes noires, N 1 spires, longueur l 1 mm (à relever). Caracérisiques de b 2 : bornes noires, N 2 spires, longueur l 2 mm (à relever). On souhaie réaliser une monage afin de relever à l oscilloscope la ension induie dans la bobine b 2, créée par la variaion du champ magnéique dans cee bobine. Le GBF délivrera une ension alernaive riangulaire e sera connecé à la bobine b 1. On connece aussi à cee dernière une résisance d environ 50 Ω. 1) Indiquez quelle es la bobine qui joue le rôle d induceur (créarice du champ magnéique) e celle qui joue le rôle d indui (siège du phénomène d inducion). Pourquoi le champ magnéique dans la bobine b 2 variera--il? 2) Réaliser le monage e brancher l oscilloscope pour relever Ri 1 voie 2. ( ) sur la voie 1 e e 2 ( ) sur la 2. MANIPULATION 1 Le GBF délivre un signal riangulaire de fréquence f 1 1 khz évoluan enre 2.5V e 2.5V. On prendra R 50 Ω. Vérifier le réglage du GBF à l oscilloscope avan de passer à la suie. 1) Relevez les oscillogrammes de Ri 1 ( ) e de e 2 ( ). Diminuez l ampliude de i 1 (en diminuan celle du signal du GBF). Observez l évoluion de l ampliude de e 2. 2) Lorsque i 1 ( ) croî linéairemen, quel es le signe de la e 2 ( )? Expliquez le, avec la loi de Lenz (on précise que le consruceur a bobinés les deux enroulemens dans le même sens). 8

9 3) e Même quesion lorsque i 1 ( ) décroî. 3. MANIPULATION 2 On supprime à présen la résisance R 50 Ω (la remplacer par un fil ou un pon). 1) Proposez un schéma du monage permean de visualiser en même emps e 2 éan la ension induie aux bornes de b 1, orienée dans le même sens que i 1 ( ) e e 1 ( ), e 1 ( ) ( ) (e que e 2 ( ) aussi d ailleurs). Faies les relevés, pour une ension du GBF sinusoïdale, de fréquence f 1 1 khz évoluan enre - 5V e 5V environ. 2) Comparez le rappor e 2max e 1max avec le rappor N 2 N 1. Pour différenes valeurs de N 1, comparez les rappors e 2max e 1max e N 2 N 1. Qu a--on (presque) réalisé ici? 9