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Physique-Chimie · 2ème Année Bac — Sciences Mathématiques B

التذبذبات القسرية في دارة RLC متوالية

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

Dans un circuit RLC série soumis à une tension sinusoïdale $u(t) = U_m \cos(2\pi Nt + \varphi)$, le régime permanent est sinusoïdal de même fréquence $N$ que le générateur.

  • L'impédance du circuit : $Z = \sqrt{R^2 + (L\omega - \frac{1}{C\omega})^2}$ avec $\omega = 2\pi N$.
  • L'intensité efficace : $I = \frac{U}{Z}$.
  • Déphasage : $\tan \varphi = \frac{L\omega - \frac{1}{C\omega}}{R}$.
  • Résonance d'intensité : Elle a lieu quand $Z$ est minimale ($Z=R$), soit $L\omega_0 - \frac{1}{C\omega_0} = 0$, d'où $N_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$. À la résonance, $I_{max} = \frac{U}{R}$ et $u$ et $i$ sont en phase ($\varphi = 0$).

Méthodes à maîtriser

  1. Construction de Fresnel : Représenter les vecteurs de Fresnel associés aux tensions $u_R, u_L, u_C$ pour déterminer graphiquement $U$ ou $\varphi$.
  2. Calcul de la bande passante : Déterminer $N_1$ et $N_2$ tels que $I = \frac{I_{max}}{\sqrt{2}}$. La largeur est $\Delta N = N_2 - N_1 = \frac{R}{2\pi L}$.
  3. Facteur de qualité : $Q = \frac{N_0}{\Delta N} = \frac{1}{R}\sqrt{\frac{L}{C}}$.

Exemples corrigés

Exemple : Soit $L=0,1$ H, $C=10$ µF, $R=20$ $\Omega$.

  1. $N_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{0,1 \times 10^{-5}}} \approx 159$ Hz.
  2. Si $N = N_0$, $Z = R = 20$ $\Omega$. Si $U=10$ V, alors $I = 0,5$ A.

Erreurs fréquentes

  • Confondre la résonance d'intensité (toujours possible en RLC série) et la résonance de tension (aux bornes de L ou C, qui nécessite $R < \sqrt{L/C}$).
  • Oublier de convertir les unités (mH en H, µF en F) avant le calcul.
  • Utiliser la valeur efficace au lieu de la valeur maximale dans les formules de Fresnel.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

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🎯 التذبذبات القسرية في دارة RLC متوالية

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À la résonance d'intensité, le déphasage $\varphi$ est :

❓ Questions fréquentes

C'est quoi la différence entre résonance d'intensité et résonance de tension ?
  1. La résonance d'intensité se produit quand $Z$ est minimale ($Z=R$), ce qui donne $I$ maximale. Elle a lieu pour $N_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$.
  2. La résonance de tension (aux bornes de $L$ ou $C$) se produit pour des fréquences différentes de $N_0$. Elle n'est possible que si la résistance $R$ est suffisamment faible.

💡 À retenir : La résonance d'intensité est toujours à $N_0$, la résonance de tension dépend de $R$.

Kifach n7seb l'impédance Z ila kan l'circuit fih ghir R et L ?
  1. Dans un circuit RL, l'impédance est $Z = \sqrt{R^2 + (L\omega)^2}$.
  2. Tu peux aussi utiliser la construction de Fresnel : $U^2 = U_R^2 + U_L^2$.
  3. Comme $U_R = RI$ et $U_L = L\omega I$, en factorisant par $I^2$, on retrouve la formule.

💡 À retenir : L'impédance est la racine carrée de la somme des carrés des termes résistifs et réactifs.

Est-ce que la fréquence de résonance change si on change la résistance R ?
  1. Non, la fréquence de résonance d'intensité $N_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$ ne dépend que de $L$ et $C$.
  2. La résistance $R$ modifie seulement l'amplitude du courant ($I_{max} = U/R$) et la "largeur" de la courbe de résonance (le facteur de qualité).

💡 À retenir : $N_0$ est indépendante de $R$.

Chno hiya l'bande passante o kifach n7eddoha ?
  1. La bande passante est l'intervalle de fréquences $[N_1, N_2]$ où $I \geq \frac{I_{max}}{\sqrt{2}}$.
  2. Pour la trouver, tu cherches les points d'intersection entre la courbe $I(N)$ et la droite horizontale d'ordonnée $I_{max}/\sqrt{2}$.
  3. La largeur est $\Delta N = N_2 - N_1 = \frac{R}{2\pi L}$.

💡 À retenir : Plus $R$ est petit, plus la bande passante est étroite (résonance aiguë).

Wach l'intensité efficace I katb9a dima hiya U/Z ?
  1. Oui, c'est la loi d'Ohm généralisée en régime sinusoïdal.
  2. $U$ et $I$ sont les valeurs efficaces mesurées par un voltmètre et un ampèremètre.
  3. $Z$ est l'impédance totale du dipôle considéré.

💡 À retenir : $I = U/Z$ est toujours vraie en régime permanent sinusoïdal.

Kifach n7seb l'déphasage varphi bin u et i ?
  1. Utilise la relation $\tan \varphi = \frac{L\omega - 1/C\omega}{R}$.
  2. Si $\tan \varphi > 0$ ($L\omega > 1/C\omega$), le circuit est inductif ($u$ est en avance sur $i$).
  3. Si $\tan \varphi < 0$, le circuit est capacitif ($u$ est en retard sur $i$).

💡 À retenir : $\varphi = \varphi_u - \varphi_i$.

Pourquoi à la résonance, u et i sont en phase ?
  1. À la résonance, $L\omega = 1/C\omega$.
  2. Donc $\tan \varphi = \frac{0}{R} = 0$.
  3. Cela implique $\varphi = 0$, donc $u(t)$ et $i(t)$ passent par leur maximum au même instant.

💡 À retenir : À la résonance, le circuit se comporte comme un conducteur ohmique pur.

Est-ce que la tension aux bornes du condensateur peut être supérieure à la tension du générateur ?
  1. Oui, c'est le phénomène de surtension.
  2. Cela arrive si la fréquence est proche de la résonance et que $R$ est faible.
  3. $U_{C,max} = \frac{U}{RC\omega_0}$. Si $RC\omega_0 < 1$, alors $U_{C,max} > U$.

💡 À retenir : C'est une application importante pour l'amplification de tension.

Chno l'fayda dial l'facteur de qualité Q ?
  1. Il mesure la "sélectivité" du circuit.
  2. Un grand $Q$ signifie une courbe de résonance très pointue (très sélectif).
  3. Un petit $Q$ signifie une courbe très plate (peu sélectif).

💡 À retenir : $Q$ élevé = filtrage précis des fréquences.

Wach l'impédance Z katbdel ila bdelna l'fréquence N ?
  1. Oui, car $Z = \sqrt{R^2 + (L\omega - 1/C\omega)^2}$ et $\omega = 2\pi N$.
  2. Quand $N$ augmente, $L\omega$ augmente et $1/C\omega$ diminue.
  3. $Z$ varie donc avec la fréquence, ce qui explique pourquoi $I$ varie.

💡 À retenir : $Z$ est minimale à la résonance.

Comment tracer la construction de Fresnel pour un circuit RLC ?
  1. Choisir une échelle. Tracer le vecteur $\vec{I}$ horizontal.
  2. Tracer $\vec{U_R}$ colinéaire à $\vec{I}$.
  3. Tracer $\vec{U_L}$ vertical vers le haut et $\vec{U_C}$ vertical vers le bas.
  4. La somme vectorielle $\vec{U} = \vec{U_R} + \vec{U_L} + \vec{U_C}$ donne la tension totale.

💡 À retenir : La longueur du vecteur résultant est $U$.

Est-ce que le déphasage varphi peut être négatif ?
  1. Oui, si le circuit est capacitif ($1/C\omega > L\omega$).
  2. Dans ce cas, $\tan \varphi$ est négatif, donc $\varphi$ est négatif.
  3. Cela signifie que le courant est en avance sur la tension.

💡 À retenir : $\varphi < 0$ signifie circuit capacitif.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un circuit RLC série comporte une bobine ($L=0,5$ H, $r=10$ $\Omega$), un conducteur ohmique ($R=40$ $\Omega$) et un condensateur ($C=20$ µF). Le générateur délivre une tension $u(t) = 10\sqrt{2} \cos(100\pi t)$.

  1. Calculer l'impédance totale du circuit.
  2. Calculer l'intensité efficace du courant.
  3. Déterminer le déphasage $\varphi$ entre $u$ et $i$.
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Exercice 2

On étudie la résonance d'intensité d'un circuit RLC. On mesure $I_{max} = 0,5$ A pour $U_{max} = 10$ V. À la résonance, $N_0 = 500$ Hz.

  1. Calculer la résistance totale $R$.
  2. Si $L = 0,1$ H, calculer la valeur de $C$.
  3. Calculer la bande passante si $R$ double.
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Exercice 3

Un circuit RLC série est alimenté par une tension sinusoïdale de fréquence réglable. On trace la courbe $I = f(N)$.

  1. Expliquer pourquoi la courbe présente un maximum.
  2. On donne $L=0,2$ H, $C=5$ µF. Calculer $N_0$.
  3. Pour $N=N_0$, on mesure $U_C = 50$ V et $U = 5$ V. Calculer le facteur de qualité $Q$.
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