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Laboratoire de condensateur et diélectrique

À propos de cette simulation

Le Laboratoire de condensateur et diélectrique est une simulation d'électrostatique en 3D où les élèves manipulent la géométrie et le matériau diélectrique d'un condensateur plan. Deux armatures métalliques sont reliées à une pile CC réglable tandis que des charges surfaciques rouges (+) et bleues (−) s'accumulent sur les faces internes et que des flèches vectorielles cyan affichent le champ électrique uniforme E = V / d. Les élèves peuvent faire glisser l'armature supérieure vers le haut ou le bas pour changer l'écartement d, modifier l'aire des armatures A et faire glisser horizontalement une plaque diélectrique ambrée dans l'intervalle. À l'intérieur de la plaque, les haltères des dipôles moléculaires pivotent visiblement pour s'aligner avec le champ, illustrant pourquoi un diélectrique augmente la capacité selon C = kappa epsilon_0 A / d.

Ce que les élèves peuvent explorer

  • Faites glisser l'armature supérieure vers le bas pour réduire de moitié l'Écartement des armatures d et vérifiez que la Capacité C, la Charge stockée Q et le Champ électrique E doublent tous.
  • Faites glisser la plaque diélectrique ambrée de 0 % à 100 % d'insertion et observez des charges + et - supplémentaires circuler depuis la pile vers les armatures à mesure que la Capacité est multipliée par kappa.
  • Zoomez avec la vue caméra Entrefer et dipôles et faites varier la Tension de la pile V pour observer les dipôles moléculaires rouge/bleu à l'intérieur du diélectrique pivoter et s'aligner.
  • Augmentez l'Aire des armatures A de 100 cm² à 400 cm² et vérifiez que la Capacité C et l'Énergie stockée U quadruplent.
  • Comparez l'Énergie stockée U = 1/2 C V² à 6 V et à 12 V pour vérifier que doubler la tension quadruple l'énergie électrostatique emmagasinée.

Objectifs d'apprentissage

  1. 1Calculer la capacité d'un condensateur plan à partir de la géométrie des armatures et de la permittivité à l'aide de C = kappa epsilon_0 A / d.
  2. 2Expliquer à l'échelle moléculaire comment la polarisation des dipôles au sein d'un diélectrique affaiblit le champ interne net et augmente la capacité.
  3. 3Prédire comment une modification de la tension V, de l'aire des armatures A ou de l'écartement d affecte la charge stockée Q = C V et l'énergie stockée U = 1/2 C V².
  4. 4Relier l'intensité du champ électrique uniforme entre les armatures à la tension et à la distance d'écartement via E = V / d.

Questions fréquentes des enseignants

Pourquoi l'insertion d'une plaque diélectrique augmente-t-elle la capacité d'un condensateur ?

Le champ électrique externe polarise les molécules à l'intérieur du diélectrique isolant, alignant leurs extrémités positives vers l'armature négative et leurs extrémités négatives vers l'armature positive. Cela crée un petit champ électrique opposé à l'intérieur de la plaque, permettant à la pile de pousser kappa fois plus de charges sur les armatures pour la même tension.

Comment l'écartement des armatures d affecte-t-il la capacité et le champ électrique ?

La capacité C = kappa epsilon_0 A / d et le champ électrique E = V / d sont tous deux inversement proportionnels à l'écartement d. Rapprocher les armatures renforce l'attraction entre les charges opposées sur les deux plaques, ce qui augmente C, Q, U et E.

Pourquoi l'énergie stockée U croît-elle avec le carré de la tension (V²) ?

Comme la charge stockée Q = C V est elle-même proportionnelle à la tension V, chaque unité de charge supplémentaire doit être poussée sur l'armature contre une différence de potentiel de plus en plus élevée, ce qui donne U = 1/2 Q V = 1/2 C V².

Le courant électrique traverse-t-il l'espace entre les armatures du condensateur ?

Aucun courant de conduction ne traverse l'isolant d'air ou le diélectrique. Au lieu de cela, un courant de charge circule dans les fils extérieurs reliés à la pile jusqu'à ce que la tension aux bornes des armatures soit égale à la tension de la pile.

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