Condensateur à plaques parallèles : charge et stockage d'énergie
1 · Prédire
Un condensateur à plaques parallèles a une géométrie fixe (surface et espace). Si vous augmentez la tension aux bornes, l'énergie stockée augmente-t-elle en proportion directe, ou plus rapidement ?
- L’énergie stockée croît plus vite que la tension – elle dépend du carré de la tension.
- L'énergie stockée est directement proportionnelle à la tension.
- L'énergie stockée ne dépend pas de la tension.
2 · Configurer
- Ouvrez le préréglage « plaques parallèles » et appuyez sur Réinitialiser. Surface des plaques = 0.05 m², séparation = 2 mm.
- Activez les lectures de charge et d’énergie stockée.
- Réglez la tension de la plaque pour chaque essai et enregistrez la charge et l’énergie stockées.
3 · Collecter les Données
| Tension V (V) | Capacité C (pF) | Charge stockée Q (nC) | Énergie stockée U (nJ) |
|---|---|---|---|
| 6.00 | |||
| 12.00 | |||
| 18.00 |
Tracez l'énergie stockée U (axe y) par rapport à la tension V (axe x) pour vos trois essais. La courbe est-elle droite ou est-elle courbée vers le haut ?
4 · Analyser
- Pour un essai, calculez C = ε₀A/d en utilisant A = 0.05 m², d = 0.002 m (identique dans chaque essai), puis Q = CV et U = ½CV². Comparez les trois au tableau.
- Expliquez, en utilisant U = ½CV², pourquoi doubler la tension quadruple l'énergie stockée plutôt que de la doubler - même si la charge stockée ne fait que doubler.
5 · Approfondir
- La capacité C = ε₀A/d dépend uniquement de la géométrie des plaques, pas de la tension que vous appliquez. Expliquez pourquoi un condensateur physiquement plus grand (A plus grand ou d plus petit) peut stocker plus de charge à la même tension.
- Un défibrillateur médical charge un condensateur à haute tension, puis le décharge dans le patient en une fraction de seconde. À l'aide de U = ½CV², expliquez pourquoi les médecins utilisent une tension élevée plutôt qu'une capacité élevée pour délivrer rapidement l'énergie nécessaire.
La physique derrière cette expérience
Capacité à plaques parallèles
Deux plaques conductrices parallèles séparées par un espace stockent une charge proportionnellement à leur surface et inversement à leur séparation : C = ε₀A/d. L'énergie stockée est U = ½CV² = ½QV.