consultation

Etablissement :	Lycée Saint-Sernin (31)
Ville :	Toulouse

Discipline :	Electricité statique
Typologie :	Didactique

CONDENSATEUR D'ÆPINUS (incomplet)

Loi ou Phénomène :

Principe du condensateur : dispositif servant à accumuler ou « condenser » séparément de fortes charges électriques (positives d’une part et négatives d’autres part, anciennement appelées les deux sortes d’électricité) sur les deux plateaux.
Influences de la nature du diélectrique, de la distance entre les plateaux et de la surface des plateaux sur la capacité d’un condensateur.

Description :

L’appareil complet (la plupart des instruments sont incomplets) se compose de deux plateaux circulaires verticaux (A) et (B) de laiton et d’une lame de verre ou d’un autre matériau isolant (C) qui les sépare. Le plus souvent, ces plateaux sont chacun munis d’un petit pendule électrique (a ou b) ; certains instruments sont dotés d’un électromètre de Henley (voir la fiche correspondante) et d’autres d’un crochet et d’un bouton métallique. Ils sont isolés sur deux colonnes de verre dont les pieds peuvent être déplacés dans une rainure ou le long d’une règle en bois qui leur sert de support. Cette disposition permet ainsi de modifier voire de mesurer la distance des deux plateaux. Certains modèles possèdent un système d’engrenages (voir la fiche « Modèle de train d’engrenages d’angle ») mis en mouvement à l’aide d’une manivelle ou d’un bouton, qui sert à faire varier la distance entre les plateaux.

Expérience :

Constructeur : BIANCHI

Première étape : charger le condensateur (deuxième gravure)
Tout d’abord, on met les plateaux en contact avec la lame d’isolant. Les plateaux et les pendules ne sont alors pas chargés. Puis, au moyen de cordons métalliques, on fait communiquer électriquement l’un deux, (B) par exemple, avec le pôle positif (par exemple) d’une machine électrique, et l’autre, (A), avec le sol. On constate alors que le pendule (b) s’éloigne du plateau (B) (troisième gravure). On approche un pendule électrique chargé négativement de la face de ce même plateau et dirigée vers (C) ; on observe que le pendule est attiré par cette face. On en déduit que le plateau (B) est chargé positivement, sur ses deux faces, comme le pôle avec lequel il communique.
Quant au plateau (A), on observe que le pendule (a) reste vertical, ce qui montre que la face de (A) reliée au sol est neutre. Quand on approche un pendule préalablement chargé négativement de l’autre face du plateau, on constate qu’il s’en éloigne ; on en déduit que cette face a été électrisée négativement par influence, grâce au plateau (B).
L’explication actuelle fait intervenir les densités électroniques et les lois d’attraction et de répulsion entre charges électriques : les charges positives accumulées dans le plateau (B) attirent les électrons du plateau (A) vers la face en vis-à-vis de (B) ; ces derniers attirent eux-mêmes d’autres charges positives sur la face de (B) en vis-à-vis. Ainsi, les charges s’accumulent-elles sur ces deux faces ; on dit qu’il y a eu condensation de l’électricité.
Lorsque le pendule du collecteur (B) a atteint son écart maximum, le condensateur est dit chargé « à refus ». On rompt alors les liaisons électriques avec la machine et avec le sol, en enlevant les cordons métalliques.

Deuxième étape : décharger le condensateur
Le condensateur chargé est donc isolé.
La décharge quasi-instantanée du condensateur est réalisée à l’aide d’un excitateur à manches en verre (voir la fiche correspondante).
La décharge lente du condensateur nécessite tout d’abord que l’on touche le plateau (B) avec le doigt, ce qui produit une étincelle. On constate alors que le pendule (b) retombe tandis que le pendule (a) s’écarte du plateau (A). On en déduit que le plateau (A) est chargé. Comme le plateau (B) était chargé positivement, on en déduit que la plateau (A) est chargé négativement, la charge de la face négative en face de (B) se répartissant sur tout le disque (A).On touche ensuite le plateau (A) dont on tire une étincelle moins forte que la précédente ; le pendule (a) retombe tandis que le pendule (b) diverge mais d’un angle plus faible que lors de la charge. On répète ces contacts tant que l’un ou l’autre des pendules divergent ; on constate qu’à chaque contact les angles des pendules avec la verticale diminuent.

Définition des armatures d’un condensateur
Le plateau (B) est appelé « collecteur » et le plateau (A) « condenseur ». Ils forment les armatures du condensateur. Ils portent des charges opposées qui restent constantes au cours des expériences suivantes.

Définition de la capacité d’un condensateur
On utilise le même dispositif que pour la charge du condensateur. On fait varier la tension délivrée par la machine électrique et à l’aide d’un plan d’épreuve et d’une balance de Coulomb, on détermine la valeur de la charge prise par le plateau (B). Après chaque mesure, on calcule le rapport de la charge sur la tension. On constate que ces rapports sont constants. On définit alors la capacité d’un condensateur comme le quotient entre charge d’un plateau et tension entre les deux plateaux ; c’est une caractéristique du condensateur où distance entre les deux plateaux (A) et (B) et nature de l’isolant, appelé diélectrique, sont connues. Si la charge est donnée en coulombs et la tension en volts, la capacité est exprimée en farads.

Influence de la nature du diélectrique
Observations qualitatives : (B) est initialement chargé. On le relie au bouton d’un électroscope (voir la fiche correspondante) et (A) à la cage métallique de l’électroscope. Dans ce cas, plus les feuilles de l’électroscope sont éloignées l’une de l’autre, plus la tension entre les plateaux (A) et (B) est importante. On intercale des plateaux (C) de nature différentes (verre, soufre, paraffine, mica, ébonite) ou on ne place aucun plateau, le diélectrique étant dans ce cas-ci de l’air. Lors de chaque expérience, on charge le condensateur à refus. On constate que l’angle entre les feuilles de l’électroscope varie en fonction de la nature du diélectrique ; l’angle étant le plus important pour l’air et le moins important pour le verre. Comme les charges des plateaux (A) et (B) restent constantes, plus les feuilles de l’électroscope sont écartées, moindre est la capacité du condensateur. On en conclut qu’un condensateur à air a une capacité plus faible qu’un condensateur à verre.
Mesures : le plateau (B) est chargé de telle sorte que l’écartement entre les feuilles de l’électroscope soit toujours le même. A l’aide d’un plan d’épreuve (voir la fiche « Conoïde isolé » par exemple) et d’une balance de Coulomb (voir la fiche correspondante), on détermine la valeur de la charge prise par le plateau (B). On constate que la capacité du condensateur à verre est jusqu’à dix fois plus importante que celle d’un condensateur à air, le mica huit fois, l’ébonite et la paraffine environ deux fois.

Influence de la distance entre les armatures
Observations quantitatives : on enlève le plateau de verre. Le dispositif initial précédent est repris. On voit que les feuilles d’or de l’électroscope s’écartent d’un certain angle. On approche progressivement le plateau (A) du plateau (B). On constate alors que les feuilles d’or se rapprochent. On en déduit que la tension entre (B) et (A) a diminué. La charge des plateaux étant constante, on en conclut que plus les plateaux sont proches, plus la capacité du condensateur est importante. De même si on intercale entre les plateaux (A) et (B) des plateaux de verre d’épaisseurs différentes, ou d’autres diélectriques, chaque série de mesures étant spécifique non pas de la nature du diélectrique mais de l’épaisseur de ce diélectrique.
Mesures : la nature du diélectrique, la tension entre les plateaux (A) et (B) demeurent constantes. On fait varier soit la distance entre les armatures seulement séparées par de l’air soit l’épaisseur du plateau (C). A l’aide d’un plan d’épreuve et d’une balance de Coulomb, on détermine la valeur de la charge prise par le plateau (B). On constate que la capacité du condensateur est inversement proportionnelle à la distance entre les deux plateaux (A) et (B).

Influence de la surface des armatures
Observations qualitatives : la distance entre les plateaux, la nature du diélectrique et la tension délivrée par la machine électrique restent constantes. Le dispositif initial précédent est repris. On place successivement des plateaux métalliques de surfaces de plus en plus faibles. On constate que les feuilles de l’électroscope s’éloignent de plus en plus. On en conclut que la capacité d’un condensateur augmente avec les surfaces de ses armatures.
Mesures : on ne fait varier que la surface des armatures. A l’aide d’un plan d’épreuve et d’une balance de Coulomb, on détermine la valeur de la charge prise par le plateau (B). On constate que la capacité du condensateur est proportionnelle à la surface des armatures.
Le condensateur variable à lames d’air (voir la fiche correspondante) en est une application.

Remarque :

Année inventaire : 1888
Prix : 10

Pour construire facilement un condensateur plan, on enduit les deux faces d’une plaque de verre de gomme laque ; on y colle des feuilles d’étain de moindre surface.

L'appareil peut être utilisé pour l'expérience du carillon électrostatique (voir la fiche correspondante) après avoir remplacé la plaque de diélectrique par un pendule constitué par une bille métallique.

Les condensateurs peuvent avoir des formes différentes. Une bouteille de Leyde, une jarre électrique et un carreau fulminant (voir les fiches correspondantes) sont également des condensateurs.