Fiche de physique - chimie
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Régimes transitoires d'un circuit R, L, C

-Fiche d'exercices-

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Conseils généraux
Conventions d'orientations pour un condensateur:

Le condensateur possède deux armatures, l'une est chargée positivement et l'autre négativement.
Soit Q la charge de l'armature positive, c'est également la charge du condensateur Q, et -Q est la charge portée par la deuxième armature.
Soit U la tension aux bornes du condensateur. La flèche tension est orientée de l'armature négative vers l'armature positive. Puisque Q=CU, alors U est positive comme Q.

-Lors d'une charge, l'intensité i est orientée vers l'armature positive. Le condensateur se chargeant, Q augmente, sa variation est positive: i=+\dfrac{\text{d}Q}{\text{d}t}=+C\dfrac{\text{d}U}{\text{d}t}

-Lors d'une décharge, il est souhaitable de représenter l'intensité i dans l'autre sens. Le condensateur se déchargeant, Q diminue, sa variation est donc négative: i=-\dfrac{\text{d}Q}{\text{d}t}=-C\dfrac{\text{d}U}{\text{d}t}
Régimes transitoires d'un circuit R, L, C : les exercices : image 24


On rappelle qu'on garde toujours la convention récepteur pour les dipôles inductifs et les résistors.


Condition de continuité:

La condition de continuité portera sur l'intensité du courant électrique pour une bobine, et sur la tension électrique pour un condensateur.


Conditions initiales:

L'indication précise des conditions initiales est primordiale, car elle permet de déterminer correctement les constantes d'intégration.
Nous rappelons que ces conditions doivent être appliquées à la solution complète de l'équation différentielle, c'est-à-dire à la somme de la solution particulière et de la solution homogène de l'équation sans second membre.


Équivalence d'un condensateur:

Dans le cadre du régime impulsionnel ou lorsque le condensateur est soumis à un échelon de tension, le condensateur déchargé est équivalent à un court-circuit (interrupteur fermé). En effet, la tension à ses bornes proportionnelle à la charge est nulle. Un condensateur chargé est équivalent à un coupe-circuit (interrupteur ouvert). Il ne laisse pas passer le courant électrique. Ces deux résultats permettent souvent de vérifier rapidement la justesse des calculs aux dates initiales et finales.


exercice 1


Réponse à un signal créneau

On branche, aux bornes d'un condensateur de capacité C en série avec une résistance R, une source de tension de force électromotrice alternative, rectangulaire e(t), de période T, comme suit:

Régimes transitoires d'un circuit R, L, C : les exercices : image 15

Le condensateur est initialement non chargé, et on suppose qu'à la fin de chaque alternance \left(\dfrac{T}{2};T;\cdots\right) , le régime limite est atteint pratiquement.
Notons u_R(t) \text{ et }u_C(t) respectivement les tensions aux bornes de la résistence et du condensateur.

1) Exprimer u_C(t) \text{ et }u_R(t) \text{ entre }t=0\text{ et }t=T.

2) Calculer u_C\text{ et }u_R \text{ pour }t_1=\dfrac{T}{2} , on donne E=10V\text{ ; }\dfrac{1}{T}=1kHz\text{ ; }C=0,05\mu F\text{ et }R=1k\Omega. Puis vérifier numériquement l'hypothèse du régime limite.


exercice 2


Charge et décharge

Un générateur de f.é.m. E=200V et de résistance interne négligeable peut alimenter deux branches d'un circuit. La branche AMB a une bobine L=4H et une résistance R=1000\Omega. La branche ANB a un condensateur C=4\mu F et une résistance R=1000\Omega ; le condensateur est initialement déchargé.

Régimes transitoires d'un circuit R, L, C : les exercices : image 21


1) À l'instant t=0 , on ferme l'interrupteur k. Exprimer l'intensité i_1=f(t) du courant dans la branche AMB.

2) Exprimer de même l'intensité i_2 dans la branche ANB et calculer l'énergie électrique du condensateur à l'état final. À quel instant a-t-on i_1=i_2?

3) Le régime permanent étant établi, on ouvre l'interrupteur k à un instant que l'on choisira pour t=0 . Quel sera, aussitôt après l'ouverture de l'interrupteur, le sens du courant dans le circuit AMBNA? Écrire l'équation différentielle relative à la charge q du condensateur, puis donner les expressions de cette charge et de l'intensité du courant i en tenant compte des conditions intiales.


exercice 3


Réponse à un échelon de tension

Entre les bornes d'entrée A_1\text{ et }A_2 du circuit ci-dessous, on applique à l'instant t=0 un échelon de tension u_1=U.
Régimes transitoires d'un circuit R, L, C : les exercices : image 7

Initialement, les courants i_1\text{ et }i_2 sont nuls, et le condensateur est déchargé.

1) Former le système différentiel que vérifient i_1(t)\text{ et }i_2(t).

2) Donner les valeurs de i_1(0^+)\text{ , }i_2(0^+)\text{ , }\dfrac{\text{d}i_1}{\text{d}t}(0^+)\text{ , }\dfrac{\text{d}i_2}{\text{d}t}(0^+)\text{ , } puis les valeurs de i_1\text{ et }i_2 au bout d'un temps très long. En déduire l'allure du graphe i_1(t).


exercice 4


Décharge d'un condensateur C dans un circuit RC'

Un condensateur de capacité C, de charge q_0, est mis en contact à t=0, avec un condensateur de capacité C' (initialement déchargé) en série avec une résistance R.
Régimes transitoires d'un circuit R, L, C : les exercices : image 6

1) Déterminer:
a) L'intensité i(t) du courant circulant dans le circuit.
b) Les charges q_f \text{ et }q_f^' des condensateurs dans leur nouvel état d'équilibre.

2) En déduire l'énergie dissipée par effet Joule au cours de l'opération
a) D'une manière directe.
b) À partir d'un bilan énergétique


exercice 5

Étude d'un circuit oscillant

À l'instant t=0 , un condensateur de capacité C_1 et de charge initiale Q_0 est connecté à un groupement série L,C_2.

Régimes transitoires d'un circuit R, L, C : les exercices : image 9


Le condensateur de capacité C_2 est initialement déchargé. On suppose que C_1=C_2=C et on note q_1, q_2 les charges des condensateurs sous les tensions u_1,u_2 respectivement.
Le sens positif du courant i est indiqué sur la figure ci-dessus.
On pose \omega_0=\sqrt{\dfrac{2}{LC}}

1)Établir les expressions de u_1(t) et i(t), puis représenter l'allure des graphes correspondants.

2) Effectuer un bilan énergétique instantannée entre t et t+\text{d}t , puis sur une période T_0=\dfrac{2\pi}{\omega_0}.


exercice 6

Circuit de Wien*

À l'aide de deux résistances R=R'=10k\Omega et de deux condensateurs C=C'=0,1\mu F , on réalise le montage de la figure suivante:
Régimes transitoires d'un circuit R, L, C : les exercices : image 1

On ferme l'interrupteur k à l'instant t=0 , C' étant chargé et C étant déchargé.

On pose \tau=RC

1) À partir des considérations physiques, préciser les valeurs de la tension v lorsque t=0 , puis lorsque t\to\infty .

2) Établir l'équation différentielle dont la tension v est solution.

3) Exprimer v(t) sachant que u(0)=3V , déterminer le temps au bout duquel v(t) passe par un maximum et tracer le graphe de v(t).

*Max Karl Werner Wien, physicien allemand, a inventé une variante de ce circuit pour identifier les propriétés de composants électriques dont on ne connaît pas les caractéristiques. De nos jours, ce circuit est largement utilisé en électronique, notamment pour produire un signal sinusoïdal stable ou pour filtrer certains types de signaux.


exercice 7

Dipôle R,L,C parallèle

Considérons un dipôle R,L,C parallèle, alimenté à l'instant t=0 par une source pure de courant de c.é.m. i_0 (Figure).
Régimes transitoires d'un circuit R, L, C : les exercices : image 8

Données numériques: R=50\Omega\enskip\text{ , }\enskip L=0,1mH\enskip\text{ , }\enskip C=10nF\enskip\text{ et }\enskip i_0=0,01A

1) Montrer que l'équation différentielle en u(t) se met sous la forme: \dfrac{\text{d}^2u}{\text{d}t^2} +\dfrac{\omega_0}{Q_0}\dfrac{\text{d}u}{\text{d}t} +\omega_0^2 u = 0. Calculer la pulsation propre \omega_0 et le facteur de qualité Q_0 .

2) Quel est le régime de variations de u(t)? À l'instant t=0, le courant est nul dans la bobine et le condensateur n'est pas chargé. Donner les expressions littérale et numérique de u(t).


exercice 8

Condensateur en série avec un groupement parallèle résistance et inductance

Le condensateur de capacité C étant intialement déchargé, on abaisse l'interrupteur k à l'instant t=0 .
Régimes transitoires d'un circuit R, L, C : les exercices : image 3

La source de tension est de force électromotrice continue E. Et on note \dot{u}=\dfrac{\text{d}u}{\text{d}t} \text{ et }\ddot{u}=\dfrac{\text{d}^2u}{\text{d}t^2}

1) Quelles sont les valeurs de u(0) \text{ et }\dot{u}(0)\text{ ?}

2) Établir l'équation différentielle satisfaite par u(t).


exercice 9

Régime oscillatoire amorti

Une bobine, d'inductance propre L=0,2H et de réssitance R=0,1\Omega , est alimentée par un générateur de f.é.m. E=120V et de résistance interne r=40\Omega . On branche à ses bornes, à un instant que l'on prendra comme origine des temps, un condensateur non chargé de capacité C=100\mu F .

Régimes transitoires d'un circuit R, L, C : les exercices : image 11


1) Quelle est l'équation différentielle du second ordre satisfaite par i(t) circulant dans la bobine?

2) Calculer les valeurs i(0^+)\text{ et }\dfrac{\text{d}i}{\text{d}t}(0^+) , puis donner l'expression numérique de i(t).


exercice 10

Couplage par condensateur

Deux circuits (L,C) sont branchés en parallèle sur un condensateur de capacité C'. Le condensateur de capacité C_1=C, possédant une charge initiale Q_0, commence à se décharger à l'instant t=0 (k est abaissé).

La capacité C_2=C est initialement déchargé.

Régimes transitoires d'un circuit R, L, C : les exercices : image 23


1) Quelles sont les équations différentielles (couplées) vérifiées par les intensités i_1\text{ et }i_2?

2) Les solutions proposées pour i_1\text{ et }i_2 sont sinusoïdales, de la forme i_k=I_k\cos(\omega t+\varphi_k)
a) Déterminer les pulsations propres du système possibles, notées \omega'\text{ et }\omega'' .
b) Comparer les courant i_1\text{ et }i_2 lorsque \omega=\omega'\text{ , puis }\omega=\omega''.







exercice 1



1) L'équation de maille du circuit s'écrit:
e(t)=u_R(t)+u_C(t)


\text{ Avec: }e(t)=\begin{cases} E &\text{ pour } 0 \leq t\leq \dfrac{T}{2}\\ -E &\text{ pour }  \dfrac{T}{2} \leq t\leq T \end{cases}\enskip\enskip , \enskip\enskip u_R(t)=R i(t) \enskip\enskip \text{ et }\enskip\enskip i(t)=C\dfrac{\text{d}u_C(t)}{\text{d}t}

On obtient l'équation différentielle du premier ordre suivante:

RC\dfrac{\text{ d}u_C(t)}{\text{d}t}+u_C(t)=e(t) \iff \begin{cases} \tau \dfrac{\text{ d}u_C(t)}{\text{d}t}+u_C(t)=E & \text{pour } 0 \leq t\leq \dfrac{T}{2}\\ \tau \dfrac{\text{ d}u_C(t)}{\text{d}t}+u_C(t)=-E &\text{ pour }  \dfrac{T}{2} \leq t\leq T \end{cases}\enskip\enskip (\tau=RC)

Nous obtenons par intégration:

\begin{cases} u_C(t)=A_1 e^{-t/\tau}+E & \text{pour } 0 \leq t\leq \dfrac{T}{2}\\ u_C(t)=A_2e^{-t/\tau}-E &\text{ pour }  \dfrac{T}{2} \leq t\leq T \end{cases}\enskip\enskip \text{ tels que }A_1\text{ et }A_2 \text{ sont des constantes d'intégration .}


Déterminons les constantes A_1\text{ et }A_2 , on a les conditions initiales suivantes:

à t=0\text{ : }u_C(0)=0 (condensateur est initialement déchargé), d'où: A_1=-E
À t=\dfrac{T}{2}\text{ : }u_C(0)=E (régime permanent est atteint), il s'ensuit que: A_2=2Ee^{T/2\tau}

L'expression de u_C(t) entre t=0\text{ et }t=T\text{ devient: }

\boxed{\begin{cases} u_C(t)=E\left(1- e^{-t/\tau}\right) & \text{pour } 0 \leq t\leq \dfrac{T}{2}\\ u_C(t)=-E\left[1-2e^{ -\left(t-T/2\right)\tau/2}\right]&\text{ pour }  \dfrac{T}{2} \leq t\leq T \end{cases}}


On en tire directement l'expression de u_R(t):

u_R(t)= e(t)-u_C(t) \Longrightarrow \boxed{\begin{cases} u_R(t)=Ee^{-t/\tau} & \text{pour } 0 \leq t\leq \dfrac{T}{2}\\ u_R(t)=-2Ee^{ -\left(t-T/2\right)\tau/2}&\text{ pour }  \dfrac{T}{2} \leq t\leq T \end{cases}}


2) Application numérique:

\dfrac{t_1}{\tau}=\dfrac{T}{2RC} \Longrightarrow \dfrac{t_1}{\tau}=\dfrac{10^-3}{2\times 10^3\times 0,05 \text{ . }10^{-6}}=\dfrac{1}{0,1}=10

e^{-t_1/\tau}=e^{-10}= 0,45\text{ .}10^{-4} \Longrightarrow e^{-t_1/\tau}\simeq 0

e^{ -\left(t_1-T/2\right)\tau/2}=e^0=1

On en déduit:

u_C(t_1^-)=E\left(1- e^{-t_1/\tau}\right)\Longrightarrow u_C(t_1^-)\simeq E \enskip\enskip \text{ et }\enskip\enskip u_C(t_1^+)=-E\left[1-2e^{ -\left(t_1-T/2\right)\tau/2}\right]\Longrightarrow u_C(t_1^+)= E \enskip\enskip\text{ , d'où: }\enskip\enskip \boxed{u_C(t_1)=E=10V}

 u_R(t_1^-)=Ee^{-t_1/\tau}\Longrightarrow u_R(t_1^-)\simeq 0  \enskip\enskip \text{ et }\enskip\enskip u_R(t_1^+)=-2Ee^{ -\left(t_1-T/2\right)\tau/2}\Longrightarrow u_R(t_1^+)= -2E \enskip\enskip\text{ , conclusion: }\enskip\enskip \boxed{u_R(t_1^-)= 0V \text{ et }u_R(t_1^+)= -2E=-20V}

Commentaire:

On observe que le condensateur est quasiment chargé à t=t_1, sa tension approchant la valeur E, et que le courant devient quasi nul, ce qui confirme l'hypothèse du régime limite.

On remarque aussi la discontinuité de la tension u_R, et donc du courant, lors du basculement de e(t) de E à -E.



exercice 2


1) L'intensité i_1 vérifie l'équation suivante:
E=L\dfrac{\text{d}i_1}{\text{d}t}+Ri_1


Par intégration, nous retrouvons l'expression suivante:

i(t)=A e^{-t/\tau_1}+\dfrac{E}{R}\enskip\enskip\enskip \text{ tel que }\tau_1=\dfrac{L}{R}\text{ et }A \text{ une constante d'intégration. }


Comme i_1(0)=0 , alors A=-\dfrac{E}{R} , il vient:

\boxed{i_1(t)=\dfrac{E}{R}\left(1-e^{-t/\tau_1}\right) }\enskip\enskip ; \enskip\enskip \left(\tau_1=\dfrac{L}{R}\right)


Application numérique:

\tau_1=\dfrac{L}{R}=\dfrac{4}{10^3}=4\text{.}10^{-3} s\enskip\text{ ; }\enskip \dfrac{1}{\tau_1}=250 s^{-1}\enskip\text{ et }\enskip \dfrac{E}{R}=\dfrac{200}{1000}=0,2A\enskip\enskip\Longrightarrow\enskip\enskip \boxed{i_1(t)=0,2\left(1-e^{-250t}\right)}

2) Dans la suite de cet exercice, on note q la charge de l'armature d'entrée du courant et on note \dot{q}\text{ et }\ddot{q} \text{ respetivement les dérivées } \dfrac{\text{d}q}{\text{d}t}\text{ et }\dfrac{\text{d}^2q}{\text{d}t^2}

Régimes transitoires d'un circuit R, L, C : les exercices : image 5


Expression de i_2(t)\text{ : }

Nous avons i_2=\dot{q} , donc, d'après la loi des mailles:

E=\dfrac{q}{C}+R\dot{q}


Il en résulte:
q(t)=CE+Be^{-t/\tau_2} \text{ avec }\tau_2=RC\text{ et }B \text{ une constante d'intégration }


Et comme q(0)=0 (condensateur initialement déchargé) , donc: B=-CE

q(t)=CE\left(1-e^{-t/\tau_2}\right)


On conclut alors que:

i_2(t)=\dot{q}(t) \Longrightarrow \boxed{i_2(t)=\dfrac{E}{R}e^{-t/\tau_2}} \enskip\enskip ; \enskip\enskip \left(\tau_2=RC\right)


Application numérique:

\tau_2=RC=10^3\times 4\text{.}10^{-6}=4\text{.}10^{-3} s\enskip\text{ ; }\enskip \dfrac{1}{\tau_2}=250 s^{-1}\enskip\text{ et }\enskip \dfrac{E}{R}=0,2A\enskip\enskip\Longrightarrow\enskip\enskip \boxed{i_2(t)=0,2\text{.}e^{-250t}\right)}

Remarque: Dans cette branche ANB sans bobine, i_2(t) est discontinue en t=0 .


L'énergie électrique du condensateur à l'état final:

À l'état final, c'est-à-dire pour t>>\tau_2\enskip\text{ : }\enskip q\to CE=q_f

Dans l'état final d'équilibre (condensateur complètement chargé), l'énergie emmagasinée par le condensateur a pour expression:

\mathcal{E}_e =\dfrac{q_f^2}{2C} \Longrightarrow \boxed{\mathcal{E}_e =\dfrac{CE^2}{2} }


Application numérique: \mathcal{E}_e =\dfrac{CE^2}{2}=\dfrac{4\text{.}10^{-6}\times 4\text{.}10^4 }{2} \Longrightarrow \boxed{\mathcal{E}_{e}=0,08J}

L'instant t tel que i_1=i_2\text{ : }

i_1(t)=i_2(t) \Longrightarrow 0,2(1-e^{-250t})=0,2e^{-250t} \Longrightarrow e^{-250t}=\dfrac{1}{2}


Nous obtenons:

Application numérique: t=4 \text{.}10^{-3}\times \ln(2) \Longrightarrow \boxed{t\simeq 2,77\text{.}10^{-3}s}

3) Avec les notations du schéma suivant:
Régimes transitoires d'un circuit R, L, C : les exercices : image 13


La décharge du condensateur se caractérise par:

q\text{ décroît }\Longrightarrow i=\dot{q}<0\text{ : } Le courant circule réellement dans le sens AMB conformément à la continuité du courant dans la bobine.

L'équation électrique s'écrit:

\dfrac{q}{C}+2Ri+L\dfrac{\text{d}i}{\text{d}t}=0 \enskip\enskip\enskip (i<0)


En différentiant, on trouve:

\boxed{\ddot{q}+2\lambda \dot{q}+\omega_0^2q=0 }\enskip\enskip\text{, en posant: }\enskip\lambda=\dfrac{R}{L}\text{ et }\omega_0=\dfrac{1}{\sqrt{LC}}


Déterminons le régime de variation du circuit, comparons pour cela numériquement \lambda à \omega_0\text{ : }

Application numérique: \lambda=\dfrac{R}{L}=\dfrac{1}{\tau_1} = 250\enskip\enskip\text{ et }\enskip\enskip \omega_0=\dfrac{1}{\sqrt{LC}}=\dfrac{1}{\sqrt{4^2\text{.}10^{-6}}}=250\enskip\enskip\enskip \Longrightarrow \lambda=\omega_0

Nous sommes en présence d'un régime critique, donc:

q(t)=(\alpha+\beta t) e^{-\lambda t} \enskip\enskip\text{ et }\enskip\enskip i(t)=\dot{q}(t)=(-\lambda \alpha +\beta -\lambda \beta t)e^{-\lambda t} \enskip\enskip \text{ ; tels que }\alpha\text{ et }\beta \text{ deux constantes à déterminer }


Sachant que q(0)=CE (correspondant à la charge finale de la question précédente) et i(0)=-\dfrac{E}{R} (par continuité du courant dans la bobine), nous obtenons:

\alpha=CE =8.10^{-4} \enskip\enskip\text{ et }\enskip\enskip \beta=i(0)+\lambda CE= 0

D'où:
\boxed{\begin{matrix} q(t)=CE e^{-\lambda t} \Longrightarrow  q(t)=8.10^{-4}e^{-250t }\\\\i(t)=-\lambda CE e^{-\lambda t} \Longrightarrow i(t)=-0,2e^{-250t }\end{matrix}}



exercice 3


1) Exprimons le système différnetiel que vérifient i_1\text{ et }i_2\text{ : }

D'après la loi de mailles, nous avons:

u_1=L\dfrac{\text{d}i_1}{\text{d}t}+L\dfrac{\text{d}i_2}{\text{d}t}+u_2\Longrightarrow \boxed{L\left(\dfrac{\text{d}i_1}{\text{d}t}+\dfrac{\text{d}i_2}{\text{d}t}\right)+Ri_2=U}\enskip (1)


Et en notant u_C la tension entre les bornes du condensateur:
u_C=L\dfrac{\text{d}i_2}{\text{d}t}+u_2


Or, d'après la loi des noeuds, le courant traversant le condensateur est i_1-i_2, donc i_1-i_2=C\dfrac{\text{d}u_C}{\text{d}t}, il s'ensuit que:

\begin{matrix} u_C=L\dfrac{\text{d}i_2}{\text{d}t}+Ri_2&\Longrightarrow& \dfrac{\text{d}u_C}{\text{d}t}= L\dfrac{\text{d}^2i_2}{\text{d}t^2}+R\dfrac{\text{d}i_2}{\text{d}t}\\\\ &\Longrightarrow& \boxed{ LC\dfrac{\text{d}^2i_2}{\text{d}t^2}+RC\dfrac{\text{d}i_2}{\text{d}t}=i_1-i_2}\enskip (2)\end{matrix}


les équations (1)\text{ et }(2) forment le système différentiel demandé:

\boxed{\begin{cases} L\left(\dfrac{\text{d}i_1}{\text{d}t}+\dfrac{\text{d}i_2}{\text{d}t}\right)+Ri_2=U \\ LC\dfrac{\text{d}^2i_2}{\text{d}t^2}+RC\dfrac{\text{d}i_2}{\text{d}t}=i_1-i_2 \end{cases}}


Remarque: Nous pouvions aussi écrire: u_1=L\dfrac{\text{d}i_1}{\text{d}t}+u_C\Longrightarrow LC \dfrac{\text{d}^2i_1}{\text{d}t^2} +i_1-i_2=0

2) Cherchons les valeurs de i_1(0^+)\text{ , }i_2(0^+)\text{ , }\dfrac{\text{d}i_1}{\text{d}t}(0^+)\text{ et }\dfrac{\text{d}i_2}{\text{d}t}(0^+)\text{ : }

On sait que i_1(0^-)=i_2(0^-)=0 , alors, par continuité des courants dans les inductances, on a:

\boxed{i_1(0^+)=i_1(0^-)=0\enskip\text{ et }\enskip i_2(0^+)=i_2(0^-)=0}


De plus, le condensateur est intialement déchargé, ce qui veut dire que u_C(0^-)=0 , et par continuité de la tension entre ses bornes: u_C(0^+)=u_C(0^-)=0

On en tire alors que:
\left(u_C=L\dfrac{\text{d}i_2}{\text{d}t}+Ri_2\right)_{(t=0^+)} \Longrightarrow 0=L\dfrac{\text{d}i_2}{\text{d}t}(0^+)+0\Longrightarrow \boxed{\dfrac{\text{d}i_2}{\text{d}t}(0^+)=0}


Et:
\left(L\left(\dfrac{\text{d}i_1}{\text{d}t}+\dfrac{\text{d}i_2}{\text{d}t}\right)+Ri_2=U\right)_{(t=0^+)}\Longrightarrow L\left(\dfrac{\text{d}i_1}{\text{d}t}(0^+)+0\right)+0=U\Longrightarrow \boxed{\dfrac{\text{d}i_1}{\text{d}t}(0^+)=\dfrac{U}{L}}


Déterminons i_1(\infty)\text{ et }i_2(\infty)\text{ : }

Après un temps très long, le condensateur est complètement chargé, donc u_C(\infty)=\text{Cte} , et donc i_1-i_2=C\dfrac{\text{d}u_C}{\text{d}t}(\infty)=0 , ce qui veut dire que i_1(\infty)=i_2(\infty)=\text{Cte}

Nous obtenons:
\left(L\left(\dfrac{\text{d}i_1}{\text{d}t}+\dfrac{\text{d}i_2}{\text{d}t}\right)+Ri_2=U\right)_{(t=\infty)}\Longrightarrow L\left(0+0\right)+Ri_2(\infty)=U\Longrightarrow \boxed{i_2(\infty)=i_1(\infty)=\dfrac{U}{R}}


On en déduit l'allure de i_1(t)\text{ :}
Régimes transitoires d'un circuit R, L, C : les exercices : image 12



exercice 4


1-a) D'après la convention d'orientation ci-dessous:
Régimes transitoires d'un circuit R, L, C : les exercices : image 20

Les charges q\text{ et }q' sont liées par les relations suivantes:

Conservation de la charge:
i=\dfrac{\text{d} q}{\text{d}t} = \dfrac{\text{d} q'}{\text{d}t}\enskip\Longrightarrow \enskip q(t)=q'(t)+k\enskip\enskip (k\text{ constante d'intégration})

Or, à t=0\text{ : }
q(0)=q_0\text{ et }q'(0)=0 \enskip \text{ , donc } \enskip k=q(0)-q'(0)=q_0

D'où:
{q(t)=q'(t)+q_0\enskip \red (1)


De plus, l'équation de maille se traduit par:
u+Ri+u'=0\enskip\Longrightarrow \enskip \dfrac{q}{C}+\dfrac{q'}{C'}+Ri=0\enskip \red (2)


En différentiant l'équation \red(2)  \text{  , on trouve: }
\left(\dfrac{1}{C}+\dfrac{1}{C'}\right)i+R\dfrac{\text{d}i}{\text{d}t}=0\underbrace{\Longrightarrow}_{\begin{matrix}C_{eq}=\dfrac{CC'}{C+C'}\\ \\  \tau=RC_{eq}\end{matrix}}\enskip\enskip\enskip \boxed{ \tau \dfrac{\text{d}i}{\text{d}t}+i=0}


On se retrouve avec une équation différentielle linéaire du 1er ordre en réponse de courant i , on obtient donc:

i(t)=A\text{ exp}\left(-\dfrac{t}{\tau}\right)

La constante d'intégration A, égale à i(0) , s'obtient en considérant l'équation \red (2) à t=0\text{ :}

\dfrac{q(0)}{C}+\dfrac{q'(0)}{C'}+Ri(0)=0\Longrightarrow i(0)=A=-\dfrac{q_0}{RC}

En définitive:

\boxed{i(t)=-\dfrac{q_0}{RC}\text{ exp}\left(-\dfrac{(C+C')t}{CC'R}\right)}

Remarque: Nous avons obtenu i<0 car le condensateur (C) se décharge.

b) En régime établi, lorsque t>>\tau=RC_{eq} , nous avons i\simeq 0

Le circuit retrouve un état d'équilibre caractérisé, d'après \red (1) et \red (2) , par:

\begin{cases} q_f-q_f^{'}=q_0 \\\\ \dfrac{q_f}{C}+\dfrac{q_f^'}{C'}=0\end{cases} \Longrightarrow \boxed{\begin{cases} q_f=q_0 \dfrac{C}{C+C'} \\\\ q_f^{'}= -q_0\dfrac{C'}{C+C'}\end{cases}}


Remarque: Le condensateur C se décharge partiellement, mais il reste chargé. Le condensateur C' se charge avec un signe opposé à celui de C, car il est polarisé en sens inverse.

2-a) Calcul direct de W_{J}\text{ :}

On a:
\begin{matrix}W_{J}&=&\displaystyle\int_{0}^{\infty} Ri^2\text{ d}t \\\\&=& \displaystyle  \dfrac{q_0^2}{RC^2}\int_0^{\infty} \exp\left(-\dfrac{2t}{RC_{eq}}\right)\text{ d}t\\\\&=& -\dfrac{q_0^2 R C_{eq}}{2RC^2}\displaystyle \left[\exp\left(-\dfrac{2t}{RC_{eq}}\right) \right]_{0}^{\infty} \end{matrix}


On en tire que:
\boxed{W_{J}=\dfrac{q_0^2 C}{2C(C+C')}}


b) Bilan énergétique:

Multiplions la relation \red (2) par i\text{ d}t=\text{ d}q=\text{ d}q', nous aboutissons à:

\text{ d}\left(\dfrac{q^2}{2C}\right)+\text{ d}\left(\dfrac{q'^2}{2C'}\right)+R i^2 \text{ d}t=0


L'intégration entre t=0 \text{ et }t\to\infty \text{ (quelques }\tau\text{) } donne:

\dfrac{q_f^2-q_0^2}{2C}+\dfrac{q_f'^2}{2C'}+W_J=0

Avec:

\left(\dfrac{q_f^2-q_0^2}{2C}\text{ : énergie fournie par le condensateur }C\right)\enskip\enskip\text{ et }\enskip\enskip \left(\dfrac{q_f'^2}{2C'}\text{ : énergie emmagasinée par le condensateur }C'\right)

Nous en déduisons:

W_J=\dfrac{q_0^2}{2C}-\dfrac{q_f^2}{2C}-\dfrac{q_f'^2}{2C'}=\dfrac{q_0^2}{C}\left[\dfrac{1}{C}\left(1-\dfrac{C^2}{(C+C')^2}\right)-\dfrac{C'^2}{(C+C')^2}\right]


Nous retrouvons ainsi:
\boxed{W_{J}=\dfrac{q_0^2 C}{2C(C+C')}}



exercice 5

1) La convention d'orientation étant imposée dans la figure, l'équation de maille se traduit par:

u_1-L\dfrac{\text{d}i}{\text{d}t}-u_2=0

Or, la charge dans le circuit est conservée, donc:

i=\dfrac{\text{d} q_2}{\text{d}t} = -\dfrac{\text{d} q_1}{\text{d}t}\enskip\Longrightarrow \enskip q_2(t)=-q_1(t)+k\enskip\enskip (k\text{ constante d'intégration})

Or, à t=0\text{ : }
q_1(0)=Q_0\text{ et }q_2(0)=0 \enskip \text{ , donc } \enskip k=q(0)-q'(0)=Q_0

D'où:
{q_2(t)=-q_1(t)+Q_0\enskip

Il s'ensuit que:
u_2=\dfrac{q_2}{C}=-\dfrac{q_1}{C}+\dfrac{Q_0}{C}=-u_1+\dfrac{Q_0}{C}

De plus:
i=C\dfrac{\text{d}u_2}{\text{d}t}=-C\dfrac{\text{d}u_1}{\text{d}t}


L'équation de maille devient donc:
LC\dfrac{\text{d}^2u_1}{\text{d}t^2}+2u_1=\dfrac{Q_0 }{C}\underbrace{\Longrightarrow}_{\omega_0^2=\dfrac{2}{LC}}\enskip\enskip\enskip \boxed{\dfrac{\text{d}^2u_1}{\text{d}t^2}+\omega_0^2 u_1=\dfrac{Q_0}{LC^2}}

Par intégration, nous obtenons:

u_1(t)=a \cos\left(\omega_0t + \varphi\right)+\dfrac{Q_0}{LC^2\omega_0^2}\enskip ;\enskip\enskip\enskip \text{ avec }a\text{ et }\varphi \text{ des constantes d'intégration. }


Les conditions initiales u_1(0)=\dfrac{Q_0}{C}\text{ et }i(0)=-C\left(\dfrac{\text{ d}u_1}{\text{d} t}\right)_{t=0} =0 (par continuité du courant dans la bobine) se traduisent par:

-C\left(\dfrac{\text{ d}u_1}{\text{d} t}\right)_{t=0} =0\enskip\Longrightarrow\enskip C\omega_0 a\sin\varphi=0\enskip\Longrightarrow\enskip a\sin \varphi =0\enskip\Longrightarrow \enskip\sin \varphi =0 \enskip\Longrightarrow \enskip\varphi =0

u_1(0)=\dfrac{Q_0}{C}\enskip\Longrightarrow \enskip a \cos \varphi +\dfrac{Q_0}{LC^2\omega_0^2}=\dfrac{Q_0}{C} \enskip\Longrightarrow \enskip a = \dfrac{Q_0}{C}-\dfrac{Q_0}{LC^2\omega_0^2} \enskip\Longrightarrow \enskip a = \dfrac{Q_0}{2C}

Il en résulte:
\boxed{u_1(t)=\dfrac{Q_0}{2C}\left(1+\cos(\omega_0t)\right)}


Finalement:
i(t)=-C\left(\dfrac{\text{ d}u_1}{\text{d} t}\right)\Longrightarrow \boxed{i(t)=\dfrac{Q_0\omega_0}{2}\sin(\omega_0 t)}


Représentations graphiques de u_1(t) et i(t):
Régimes transitoires d'un circuit R, L, C : les exercices : image 14


2) Effectuons le bilan énergétique instantané du circuit:

L'équation de maille s'écrit:
-\dfrac{q_1}{C}+L\dfrac{\text{d}i}{\text{d}}+\dfrac{q_2}{C}=0


En multipliant les deux membres de l'équation par i\text{ d}t=\text{ d}q_2=-\text{ d}q_1 , on obtient le bilan énergétique instantané du circuit:

\text{d}\left(\dfrac{q_1^2}{2C}\right)+\text{d}\left(\dfrac{q_2^2}{2C}\right)+\text{d}\left(\dfrac{1}{2}Li^2\right)=0

Ou encore, en notant:

\mathcal{E}_{e_1}=\dfrac{q_1^2}{2C} \text{ et }\mathcal{E}_{e_2}=\dfrac{q_2^2}{2C} \text{ : énergies électriques emmagasinées par les condensateurs}

\mathcal{E}_{m}=\dfrac{1}{2}Li^2 \text{ : énergie magnétique emmagasinée par la bobine }

\boxed{\text{ Bilan énergétique instantané: }\text{d}\mathcal{E}_{e_1}+\text{d}\mathcal{E}_{e_2}+\text{d}\mathcal{E}_m=0}


Analysons le bilan énergétique sur une période T_0=\dfrac{2\pi}{\omega_0}\text{ : }

Par intégration entre t=0\text{ et }t=\dfrac{T_0}{2}\text{ , il vient : }

\displaystyle \left[\Delta\mathcal{E}_{e_1}\right]_0^{T_0/2} +\left[\Delta\mathcal{E}_{e_2}\right]_0^{T_0/2}+\left[\Delta\mathcal{E}_{m}\right]_0^{T_0/2}=0

Avec \left[\Delta\mathcal{E}_{m}\right]_0^{T_0/2}=\left[\dfrac{1}{2}Li^2\right]_0^{T_0/2}=0
Soit:
\boxed{\left[\Delta\mathcal{E}_{e_2}\right]_0^{T_0/2} =-\left[\Delta\mathcal{E}_{e_1}\right]_0^{T_0/2}=\dfrac{Q_0^2}{2C}}


Commentaire:

Ainsi, entre t=0\text{ et }t=\dfrac{T_0}{2} , le condensateur C_1 se décharge (q_1 décroît) tandis que le condensateur C_2 se charge (q_2 croît car \text{ d}q_2=-\text{ d}q_1) . Le phénomène est inversé entre t=\dfrac{T_0}{2} et T_0 (décharge de C_2 et charge de C_1).

La bobine s'oppose aux variations du courant, c'est-à-dire qu'elle prélève de l'énergie au circuit des deux condensateurs lorsque |i| croît (\mathcal{E}_m augmente) et elle restitue cette énergie lorsque |i| décroît:
Entre t=0\text{ et }\dfrac{T_0}{4}\text{ : }\Delta\mathcal{E}_m=\dfrac{1}{2}L\left(\dfrac{Q_0\omega_0}{2}\right)^2=\dfrac{Q_0^2}{4C}
Entre t=\dfrac{T_0}{4}\text{ et }\dfrac{T_0}{2}\text{ : }\Delta\mathcal{E}_m=-\dfrac{Q_0^2}{4C}
Elle n'intervient donc pas dans le bilan énergétique global de la charge et décharge des condensateurs


exercice 6


1) Précisons v(0)\text{ et }v(\infty)\text{ : }

Initialement, le condensateur C est déchargé, donc v(0^-)=\dfrac{q(0^-)}{C}=0, et par continuité de la tension entre ses bornes, on a à t=0\text{ : }\boxed{ v(0)=v(0^-)=0V}

Au bout d'un temps très long, les condensateurs C \text{ et }C' sont entièrement déchargés à cause de l'effet Joule dans les deux résistances du circuit, il s'ensuit alors que:

v(\infty)=\dfrac{q(\infty)}{C}\Longrightarrow \boxed{v(\infty)=0}


2) L'équation différentielle en v(t)\text{ :}

On a:
\begin{matrix} i(t)=C\dfrac{\text{d}v(t)}{\text{d}t}&\text{ et }& i'(t)=-C'\dfrac{\text{d}u(t)}{\text{d}t}\end{matrix}


De plus:
\begin{matrix} i'(t)=i(t)+\dfrac{v(t)}{R} &\text{ (Loi des noeuds) }\end{matrix}


Appliquons la loi de mailles:

 \begin{matrix} u(t)=R'i'(t)+v(t) &\Longrightarrow & u(t)=R'i(t)+\dfrac{R'}{R}v(t)+v(t) \\\\&\Longrightarrow & u(t)=R'C \dfrac{\text{d}v(t)}{\text{d}t}+\left(\dfrac{R'}{R}+1\right)v(t) & \red \text{ (eq1)}\\\\&\Longrightarrow & \dfrac{\text{d}u(t)}{\text{d}t}=R'C \dfrac{\text{d}^2 v(t)}{\text{d}t^2}+\left(\dfrac{R'}{R}+1\right)\dfrac{\text{d}v(t)}{\text{d}t}\end{matrix}


En sachant que R=R' \text{ , nous obtenons: }

\begin{matrix} \dfrac{\text{d}u(t)}{\text{d}t}=R'C \dfrac{\text{d}^2 v(t)}{\text{d}t^2}+2\dfrac{\text{d}v(t)}{\text{d}t}\end{matrix}


De plus, on a C=C'\text{ et }\tau=RC\text{ , donc }\tau=RC=RC'=R'C=R'C'\text{ , ce qui permet d'écrire: }

 \begin{matrix}\dfrac{\text{d}u(t)}{\text{d}t}=\tau \dfrac{\text{d}^2 v(t)}{\text{d}t^2}+2\dfrac{\text{d}v(t)}{\text{d}t}  &\Longrightarrow & -\dfrac{i'(t)}{C'}=\tau \dfrac{\text{d}^2 v(t)}{\text{d}t^2}+2\dfrac{\text{d}v(t)}{\text{d}t}\\\\ &\Longrightarrow & -i(t)-\dfrac{1}{R}v(t)=\tau C' \dfrac{\text{d}^2 v(t)}{\text{d}t^2}+2C'\dfrac{\text{d}v(t)}{\text{d}t}\\\\ &\Longrightarrow & -C\dfrac{\text{d}v(t)}{\text{d}t}-\dfrac{1}{R}v(t)=\tau C' \dfrac{\text{d}^2v(t)}{\text{d}t^2}+2C'\dfrac{\text{d}v(t)}{\text{d}t} \\\\&\Longrightarrow & -\dfrac{\text{d}v(t)}{\text{d}t}-\dfrac{1}{\tau}v(t)=\tau \dfrac{C'}{C} \dfrac{\text{d}^2v(t)}{\text{d}t^2}+2\dfrac{C'}{C}\dfrac{\text{d}v(t)}{\text{d}t} \\\\&\Longrightarrow & \tau \dfrac{\text{d}^2v(t)}{\text{d}t^2}+2\dfrac{\text{d}v(t)}{\text{d}t} +\dfrac{\text{d}v(t)}{\text{d}t}+\dfrac{1}{\tau}v(t)=0    \end{matrix}


Nous aboutissons à l'équation différentielle du circuit étudié:

\boxed{\dfrac{\text{d}^2v(t)}{\text{d}t^2}+\dfrac{3}{\tau}\dfrac{\text{d}v(t)}{\text{d}t}+\dfrac{1}{\tau^2}v(t)=0 }


3) Expression de v(t)\text{ :}

On écrit l'équation différentielle sous la forme canonique:

\dfrac{\text{d}^2v(t)}{\text{d}t^2}+2\lambda\dfrac{\text{d}v(t)}{\text{d}t}+\omega_0^2 v(t)=0

Par identification, nous trouvons: \lambda=\dfrac{3}{2\tau} \text{ et }\omega_0=\dfrac{1}{\tau}

Puisque \lambda>\omega_0 , le régime du circuit est apériodique, et la solution v(t) s'écrit sous la forme:

v(t)=e^{-\lambda t} \left(A e^{\Omega t}+B e^{-\Omega t}\right) \enskip\enskip\text{ , avec }\Omega=\sqrt{\lambda^2-\omega_0^2}=\dfrac{\sqrt{5}}{2\tau}


Déterminons les constantes d'intégration A \text{ et }B\text{ , on a les conditions initiales suivantes  }\begin{cases} v(0)=0\\ u(0)=3\end{cases}\text{ , donc: }

v(0)=0\Longrightarrow A+B=0\Longrightarrow A=-B

u(0)=3 \enskip\enskip \underbrace{\Longrightarrow}_{\red \text{(eq1)}} \enskip\enskip \tau \dfrac{\text{d}v}{\text{d}t}(0)+2v(0)=3 \enskip\enskip \Longrightarrow \enskip\enskip \dfrac{\text{d}v}{\text{d}t}(0)=\dfrac{3}{\tau}

Calculons \dfrac{\text{d}v}{\text{d}t}\text{ :}

\begin{matrix} \dfrac{\text{d}v}{\text{d}t}(t)&=& \dfrac{\text{d}}{\text{d}t}\left[e^{-\lambda t} \left(A e^{\Omega t}+B e^{-\Omega t}\right)\right] \\\\&=& -\lambda e^{-\lambda t} \left(A e^{\Omega t}+B e^{-\Omega t}\right) +e^{-\lambda t} \left(\Omega A e^{\Omega t}-\Omega B e^{-\Omega t}\right) \\\\&=& e^{-\lambda t}\left[\left(\Omega-\lambda \right)A e^{\Omega t} - \left(\Omega+\lambda \right)B e^{-\Omega t}\right]    \end{matrix}


Nous en tirons que:

\begin{matrix} \dfrac{\text{d}v}{\text{d}t}(0)=\dfrac{3}{\tau} &\Longrightarrow & \left(\Omega-\lambda \right)A  - \left(\Omega+\lambda \right)B =\dfrac{3}{\tau} \\\\ &\Longrightarrow & \left(\Omega-\lambda \right)A  + \left(\Omega+\lambda \right)A =\dfrac{3}{\tau}  \\\\ &\Longrightarrow & A\left(\Omega-\lambda +\Omega+\lambda \right) =\dfrac{3}{\tau} \\\\ &\Longrightarrow & A =\dfrac{3}{2\Omega\tau}\\\\ &\Longrightarrow & A =\dfrac{3}{2\dfrac{\sqrt{5}}{2\tau}\tau}\\\\ &\Longrightarrow & A =\dfrac{3\sqrt{5}}{5}  \end{matrix}


Finalement:
 v(t)=e^{-\lambda t} \left(A e^{\Omega t}+B e^{-\Omega t}\right)=A \left(e^{(\Omega-\lambda)t}-e^{-(\Omega+\lambda)t}\right)


Application numérique:

\tau=RC=(10\text{ . }10^3)\times (0.1\text{ . }10^{-6}) =10^{-3} s
\lambda=\dfrac{3}{2\tau}=1,5\text{ . }10^3 s^{-1}
\omega_0=\dfrac{1}{\tau}=10^3 s^{-1}
\Omega = \dfrac{\sqrt{5}}{2\tau}=\dfrac{\sqrt{5}}{2\times 10^{-3}}\simeq 1118\enskip s^{-1}
\Omega-\lambda \simeq 1118-1500=-382\enskip s^{-1}
\Omega+\lambda \simeq 1118+1500=2618\enskip s^{-1}
A=\dfrac{3\sqrt{5}}{5}\simeq 1,34
B=-A\simeq -1,34

Nous concluons donc que:

\boxed{\text{L'expression temporelle de la tension }v(t)\text{ s'écrit: }v(t)=1,34 \left(e^{-382t}-e^{-2618t}\right) }


Déterminons le temps t_m au bout duquel v(t) pase par un maximum:

On a:
\dfrac{\text{d}v}{\text{d}t}(t)=1,34\left(-382 e^{-382t}+2618e^{-2618t}\right)=512e^{-382 t }\left(\dfrac{2618}{382}e^{-2236t}-1\right)\simeq 512e^{-382 t }\left(6,85e^{-2236t}-1\right)


Le signe de \dfrac{\text{d}v}{\text{d}t}(t) est celui de \left(6,85e^{-2236t}-1\right)\text{ : }

Donc:

\left(6,85e^{-2236t_m}-1\right)=0 \iff -2236t_m=-\ln 6,85 \iff t_m=\dfrac{\ln 6,85 }{2236}


\boxed{t_m=0,86 \enskip ms}


On vérifie facilement que :
\dfrac{\text{d}v}{\text{d}t}(t)<0 \text{ pour }t>t_m \enskip\enskip\enskip \text{ et que }\enskip\enskip\enskip \dfrac{\text{d}v}{\text{d}t}(t)>0 \text{ pour }t<t_m


De plus,
v(t_m)= 1,34 \left(e^{-382t_m}-e^{-2618t_m}\right)\underbrace{\Longrightarrow }_{\text{ Application numérique }} v(t_m)\simeq 0,82V


Conclusion:
\boxed{v\text{ passe par un maximum }v(t_m)=0,82\enskip V \text{ au bout de }t_m=0,86\enskip ms}


Graphe de v(t)\text{ : }
Régimes transitoires d'un circuit R, L, C : les exercices : image 18



exercice 7


1) L'équation différentielle en u(t)\text{ :}

Notons:

\bullet\enskip i_R=\dfrac{u}{R} le courant dans la résistance R.
\bullet\enskip i_L le courant dans la bobine L.
\bullet\enskip i_C=C\dfrac{\text{d} u}{\text{d}t} le courant dans la condensateur.

D'après la loi des noeuds:
i_L+i_R+i_C=i_0\Longrightarrow i_L+\dfrac{u}{R}+C\dfrac{\text{d} u}{\text{d}t}=i_0\enskip (*)

En différentiant et en multiplions par L, nous trouvons:
\underbrace{L\dfrac{\text{d} i_L}{\text{d}t}}_{u}+\dfrac{L}{R}\dfrac{\text{d} u}{\text{d}t}+LC\dfrac{\text{d}^2 u}{\text{d}t^2}=0


Nous en déduisons l'équation différentielle recherchée:

\boxed{\dfrac{\text{d}^2 u}{\text{d}t^2}+\dfrac{1}{RC}\dfrac{\text{d} u}{\text{d}t}+\dfrac{1}{LC}u=0}


Elle est écrite sous la forme \dfrac{\text{d}^2u}{\text{d}t^2} +\dfrac{\omega_0}{Q_0}\dfrac{\text{d}u}{\text{d}t} +\omega_0^2 u = 0 , avec:

\boxed{\omega_0=\dfrac{1}{\sqrt{LC}}}\enskip\enskip\text{ et }\enskip\enskip Q_0=RC\omega_0\Longrightarrow \boxed{Q_0=R\sqrt{\dfrac{C}{L}}}


Applications numériques:

\omega_0=\dfrac{1}{\sqrt{LC}}}=\dfrac{1}{\sqrt{0,1\text{ . }10^{-3}\times 10\text{ . }10^{-9}}}=\dfrac{1}{\sqrt{10^{-12}}}\enskip\enskip\enskip\Longrightarrow\enskip\enskip\enskip \boxed{\omega_0=10^6\text{ rad}/s}

Q_0=R\sqrt{\dfrac{C}{L}}=50\times\sqrt{\dfrac{10\text{ . }10^{-9}}{0,1\text{ . }10^{-3}}}\enskip\enskip\enskip\Longrightarrow\enskip\enskip\enskip \boxed{Q_0=0,5}

2) Puisque le facteur de qualité Q_0=0,5, alors nous avons directement:

\boxed{\text{Le régime de variation de la tension }u(t)\text{ est le régime critique, elle a } \\ \text{ donc pour expression: } u(t)=(a+bt)e^{-\omega_0 t}\enskip\enskip (a,b \text{ constantes})}


L'expression de u(t)\text{ :}

Le condensateur est initialement déchargé : u(0)=0 \Longrightarrow a=0\enskip\enskip (1)

Le courant dans la bobine est unitialement nul, donc i_L(0)=0.

Nous en déduisons, en remplaçant dans (*)\text{ : }i_L(0)+\dfrac{u(0)}{R}+C\dfrac{\text{d} u}{\text{d}t}(0)=i_0\Longrightarrow  \dfrac{\text{d}u}{\text{d}t}(0)=\dfrac{i_0}{C}

Calculons la dérivée par rapport au temps de u(t)\text{ : }
\begin{matrix} \dfrac{\text{d}u(t)}{\text{d}t}&=& be^{-\omega_0 t}-\omega_0 (a+bt)e^{-\omega_0 t} \\&=& e^{-\omega_0 t}\left(b-\omega_0 b t -\omega_0 a \right) \end{matrix}


Nous en tirons que:
\begin{cases}\dfrac{\text{d}u}{\text{d}t}(0)=\dfrac{i_0}{C}\\ a=0\end{cases} \Longrightarrow b=\dfrac{i_0}{C} \enskip (2)


De (1)\text{ et }(2), nous obtenons l'expression litérale de u(t)\text{ :}

\boxed{u(t)=\dfrac{i_0}{C}t\enskip e^{-\omega_0 t}}\enskip\enskip ; \enskip\enskip \left(\omega_0=1/\sqrt{LC}\right)


Application numérique:

\dfrac{i_0}{C}=\dfrac{10^{-2}}{10\text{ . }10^{-9}}=10^6 A.F^{-1}

\omega_0=10^6\text{ rad}/s

Finalement, l'expression numérique de u(t) s'écrit:

\boxed{u(t)=10^6 t\enskip e^{-10^6  t}}



exercice 8


1) Conditions initiales:

Régimes transitoires d'un circuit R, L, C : les exercices : image 2


Le condensateur est initialement déchargé , donc, par continuité de la tension aux bornes de C :

u(0^+)=u(0^-)=\dfrac{q(0)}{C}\Longrightarrow \boxed{u(0)=0}


En notant i_R le courant traversant la résistance R, au tout premier instant après le fermeture de k\text{ : }

E=u(0)+R i_R(0) \Longrightarrow E=R i_R(0)\enskip (*)


Notons i_L le courant traversant l'inductance. Le circuit étudié était ouvert avant l'abaissement de k, donc i_L(0^-)=0, et par continuité du courant traversant la bobine:

i_L(0^+)=i_L(0^-)=0 \Longrightarrow i_L(0)=0


En sachant que le courant qui traverse le condensateur est i_L+i_R\text{ , nous obtenons: } i_R(0)=C \dot{u}(0)\text{ , et en remplaçant dans }(*)\text{ : }

E=R C \dot{u}(0)\Longrightarrow \boxed{\dot{u}(0)=\dfrac{E}{RC}}


2) Équation différentielle en u(t)\text{ : }

Notons u' la tension aux bornes de L (et donc de R). On a d'après la loi de maille:

u'=E-u


Et d'après la loi des noeuds:

\begin{matrix} C \dot{u}(t)=\dfrac{u'(t)}{R}+i_L(t) &\iff& C\dot{u}(t)=\dfrac{E-u(t)}{R}+i_L(t) \\&\iff& C\ddot{u}(t)=0-\dfrac{1}{R}\dot{u}(t)+\dfrac{\text{d}i_L}{\text{d}t}(t) &\text{ (Par différentiation: )} \\&\iff& C \ddot{u}(t)=-\dfrac{1}{R}\dot{u}(t)+\dfrac{1}{L} u'(t) \\&\iff& C \ddot{u}(t)=-\dfrac{1}{R}\dot{u}(t)+\dfrac{E}{L} -\dfrac{1}{L}u(t) \end{matrix}


Finalement:

\boxed{\text{L'équation différentielle satisfaite par }u(t)\text{ est: }\ddot{u}(t)+\dfrac{1}{RC}\dot{u}(t)+\dfrac{1}{LC}u(t)=\dfrac{E}{LC}}



exercice 9

1) Équation différentielle satisfaite par i(t)\text{ :}
Régimes transitoires d'un circuit R, L, C : les exercices : image 10


Notons u la tension entre les bornes du condensateur et i' le courant le traversant, on a:

u=L\dfrac{\text{d}i}{\text{d}t}+Ri\enskip (*)\enskip\enskip \text{ et }\enskip\enskip i'=C\dfrac{\text{d}u}{\text{d}t}


D'après la loi des noeuds, le courant passant par le générateur de tension est:

i+i'=i+C\dfrac{\text{d}u}{\text{d}t}


Donc, d'après la loi des mailles:
u=E-r(i+i')\iff u=E-r\left(i+C\dfrac{\text{d}u}{\text{d}t}\right)


Nous obtenons donc, en remplaçant u par son expression (*)\text{ : }

\begin{matrix} u=E-r\left(i+C\dfrac{\text{d}u}{\text{d}t}\right) &\iff &  L\dfrac{\text{d}i}{\text{d}t}+Ri=E-ri-rC \dfrac{\text{d}}{\text{d}t}\left(L\dfrac{\text{d}i}{\text{d}t}+Ri\right) \\ &\iff&  L\dfrac{\text{d}i}{\text{d}t}+Ri=E-ri-rLC\dfrac{\text{d}^2i}{\text{d}t^2}-rRC\dfrac{\text{d}i}{\text{d}t} \\&\iff&  rLC\dfrac{\text{d}^2i}{\text{d}t^2}+(L+rRC)\dfrac{\text{d}i}{\text{d}t}+(R+r)i=E \end{matrix}


Nous aboutissons à l'équation différentielle recherchée:

\boxed{\dfrac{\text{d}^2i}{\text{d}t^2}+\left(\dfrac{R}{L}+\dfrac{1}{rC}\right)\dfrac{\text{d}i}{\text{d}t}+\dfrac{1}{LC}\left(1+\dfrac{R}{r}\right)i=\dfrac{E}{rLC} }


2) Valeurs initiales:

Avant la fermeture de k, c'est-à-dire lorsque t<0 , la bobine (L,R) était branchée en série avec la source de tension (E,r) . L'état final du courant \text{ (noté }i_f\text{) } circulant dans ce circuit sans condensateur représente la condition intiale i(0^-) passant par la bobine lorsqu'on ferme l'interrupteur k.

Lors de l'étude de ce circuit, nous notons t' la variable du temps en secondes afin d'éviter toute ambiguïté:

Régimes transitoires d'un circuit R, L, C : les exercices : image 17


L'équation différentielle satisfaite par i(t') est:

E-ri(t')=L\dfrac{\text{d}i}{\text{d}t'}+Ri(t')\Longrightarrow \dfrac{\text{d}i}{\text{d}t'}+\dfrac{R+r}{L}i(t')=\dfrac{E}{L}


La solution est:

i(t')=A e^{-t'L/(r+R)}+\dfrac{E}{R+r}\enskip \enskip (A\text{ constante})


Sans chercher A, on a, lorsque t'\to\infty: i(\infty)=i_f=\dfrac{E}{R+r}

On en tire que, juste avant la fermeture de k: i(0^-)=i_f=\dfrac{E}{R+r}

Ensuite, par continuité du courant dans la bobine:

\boxed{i(0^+)=i(0^-)=\dfrac{E}{R+r}}


D'autre part, le condensateur est initialement déchargé, et par continuité de la tension entre les bornes d'un condensateur:

u(0^-)=0\Longrightarrow u(0^+)=u(0^-)=0


à la fermeture de k, on a, d'après (*)\text{ : }

u(0^+)=L\dfrac{\text{d}i}{\text{d}t}(0^+)+Ri(0^+)\Longrightarrow \dfrac{\text{d}i}{\text{d}t}(0^+)=-\dfrac{R}{L}i(0^+)


D'où:
\boxed{\dfrac{\text{d}i}{\text{d}t}(0^+)=-\dfrac{ER}{L(R+r)}}


Établissons l'expression numérique de i(t)\text{ : }

Écrivons pour cela l'équation différentielle sous sa forme canonique:

\dfrac{\text{d}^2i}{\text{d}t^2}+2\lambda \dfrac{\text{d}i}{\text{d}t}+\omega_0^2 i=\dfrac{E}{rLC}


Avec:
2\lambda= \dfrac{R}{L}+\dfrac{1}{rC}\Longrightarrow \lambda= \dfrac{1}{2}\left(\dfrac{R}{L}+\dfrac{1}{rC}\right)
\omega_0^2=\dfrac{1}{LC}\left(1+\dfrac{R}{r}\right) \Longrightarrow \omega_0=\sqrt{\dfrac{1}{LC}\left(1+\dfrac{R}{r}\right)}

Application numérique:

\lambda= \dfrac{1}{2}\left(\dfrac{R}{L}+\dfrac{1}{rC}\right)=\lambda= \dfrac{1}{2}\left(\dfrac{0,1}{0,2}+\dfrac{1}{40\text{ . }100\text{ . }10^{-6}}\right)\simeq 125\text{ rad}\text{. }s^{-1}
\omega_0=\sqrt{\dfrac{1}{LC}\left(1+\dfrac{R}{r}\right)}=\sqrt{\dfrac{1}{0,2\text{ . }10^{-4}}\left(1+\dfrac{0,1}{10}\right)}\simeq 284 \text{ rad}\text{. }s^{-1}

Puisque \omega_0>\lambda \text{ , le régime est pseudo-périodique, d'où: }

i(t)=A e^{-\lambda t}\cos(\Omega t+\varphi)+\dfrac{E}{r+R}\enskip\enskip , \enskip \text{ avec }\Omega=\sqrt{\omega_0^2-\lambda^2}


Calculons les constantes d'intégration A\text{ et }\varphi\enskip\enskip(A\neq 0):

i(0)=\dfrac{E}{R+r}\Longrightarrow A\cos\varphi =0 \Longrightarrow \boxed{\varphi=\dfrac{\pi}{2}}

Pour trouver A , il faut appliquer \dfrac{\text{d}i}{\text{d}t}(0^+)=-\dfrac{ER}{L(R+r)} , dérivons par rapport au temps i(t)\text{ : }

\begin{matrix}\dfrac{\text{d}i}{\text{d}t}(t)&=&-\lambda A e^{-\lambda t}\cos (\Omega t+\varphi)-\Omega A e^{-\lambda t}\sin(\Omega t+\varphi)\\\\&=&-\lambda A e^{-\lambda t}\cos (\Omega t+\pi/2)-\Omega A e^{-\lambda t}\sin(\Omega t+\pi/2)\\\\&=& \lambda A e^{-\lambda t}\sin(\Omega t)-\Omega A e^{-\lambda t}\cos (\Omega t) \\\\&=& A e^{-\lambda t}\left(\lambda\sin(\Omega t)-\Omega \cos(\Omega t)\right)\end{matrix}


On en tire:

\dfrac{\text{d}i}{\text{d}t}(0^+)=-\dfrac{ER}{L(R+r)}\Longrightarrow-A\Omega=-\dfrac{ER}{L(R+r)}\Longrightarrow \boxed{A=\dfrac{ER}{L(R+r)\Omega}}


L'expression litérale de i(t)\text{ s'écrit donc : }

\boxed{i(t)=\dfrac{E}{R+r}-\dfrac{ER}{L(R+r)\Omega}e^{-\lambda t}\sin\left(\Omega t\right)}


Application numérique:

\Omega=\sqrt{\omega_0^2-\lambda^2}=\sqrt{224^2-125^2}\simeq 186 \text{ rad}/s
A=\dfrac{ER}{L(R+r)\Omega}=\dfrac{120\text{ . }0,1}{0,2\text{ . }40,1\text{ . }186}\simeq 8\text{ . }10^{-3}
\dfrac{E}{R+r}=\dfrac{120}{40,1}\simeq 3

On conclut que l'expression numérique de i(t) est:

\boxed{i(t)=3-8\text{.}10^{-3} e^{-125 t }\sin(186 t)}



exercice 10


1) Déterminons les équations différentielles vérifiées par i_1\text{ et }i_2\text{ :}

On note:

u_1\text{ : tension aux bornes de }C_1
u_2\text{ : tension aux bornes de }C_2
u\text{ : tension aux bornes de }C'

C_1 est orienté en convention générateur.
Régimes transitoires d'un circuit R, L, C : les exercices : image 16


On a donc, à la fermeture de k:

\begin{matrix} \bullet & i_1=-C_1\dfrac{\text{d}u_1}{\text{d}t}=-C\dfrac{\text{d}u_1}{\text{d}t} \\\bullet & i_2=C_2\dfrac{\text{d}u_2}{\text{d}t}=C\dfrac{\text{d}u_2}{\text{d}t}\\ \bullet & i_1+i_2=C'\dfrac{\text{d}u}{\text{d}t}&\text{(Loi des noeuds)}\end{matrix}


D'autre part, d'après la loi des mailles, on a:

\begin{matrix} u_1=u+L\dfrac{\text{d}i_1}{\text{d}t}&\Longrightarrow & \dfrac{\text{d}u_1}{\text{d}t}=\dfrac{\text{d}u}{\text{d}t}+L\dfrac{\text{d}^2i_1}{\text{d}t^2}  \\ &\Longrightarrow & -\dfrac{1}{C}i_1=\dfrac{1}{C'}(i_1+i_2)+L\dfrac{\text{d}^2i_1}{\text{d}t^2}\\ &\Longrightarrow & \dfrac{\text{d}^2i_1}{\text{d}t^2}+\dfrac{1}{L}\left(\dfrac{1}{C}+\dfrac{1}{C'}\right)i_1+\dfrac{1}{LC'}i_2=0\end{matrix}


Et:

\begin{matrix} u_2+L\dfrac{\text{d}i_2}{\text{d}t}+u=0&\Longrightarrow & \dfrac{\text{d}u_2}{\text{d}t}+L\dfrac{\text{d}^2i_2}{\text{d}t^2}+\dfrac{\text{d}u}{\text{d}t} =0 \\ &\Longrightarrow & \dfrac{1}{C}i_2+L\dfrac{\text{d}^2i_2}{\text{d}t^2}+\dfrac{1}{C'}(i_1+i_2)=0\\ &\Longrightarrow & \dfrac{\text{d}^2i_2}{\text{d}t^2}+\dfrac{1}{L}\left(\dfrac{1}{C}+\dfrac{1}{C'}\right)i_2+\dfrac{1}{LC'}i_1=0\end{matrix}


Nous obtenons le système d'équations différentielles vérifiées par i_1\text{ et }i_2\text{ : }

\boxed{\begin{cases} \dfrac{\text{d}^2i_1}{\text{d}t^2}+\dfrac{1}{L}\left(\dfrac{1}{C}+\dfrac{1}{C'}\right)i_1+\dfrac{1}{LC'}i_2=0 \\ \dfrac{\text{d}^2i_2}{\text{d}t^2}+\dfrac{1}{L}\left(\dfrac{1}{C}+\dfrac{1}{C'}\right)i_2+\dfrac{1}{LC'}i_1=0 \end{cases}}


2-a) Déterminons les pulsations possibles, notées \omega'\text{ et }\omega''\text{ :}

On a:
i_1(t)=I_1\cos(\omega t+\varphi_1) \enskip\enskip\text{ et }\enskip\enskip i_2(t)=I_2\cos(\omega t+\varphi_2)


Calculons \dfrac{\text{d}^2i_1}{\text{d}t^2}\text{ et }\dfrac{\text{d}^2i_2}{\text{d}t^2}\text{ :}

\begin{matrix}\dfrac{\text{d}^2i_1}{\text{d}t^2}(t)&=&\dfrac{\text{d}}{\text{d}t}\left(-\omega I_1\sin(\omega t +\varphi_1)\right)&=&-\omega^2I_1\cos(\omega t +\varphi_1)&=& -\omega^2 i_1(t)\end{matrix}

\begin{matrix}\dfrac{\text{d}^2i_2}{\text{d}t^2}(t)&=& -\omega^2 i_2(t)\end{matrix}

En remplaçant dans le système trouvé en 1), nous obtenons:

\begin{matrix}  \begin{cases} \dfrac{\text{d}^2i_1}{\text{d}t^2}+\dfrac{1}{L}\left(\dfrac{1}{C}+\dfrac{1}{C'}\right)i_1+\dfrac{1}{LC'}i_2=0 \\ \dfrac{\text{d}^2i_2}{\text{d}t^2}+\dfrac{1}{L}\left(\dfrac{1}{C}+\dfrac{1}{C'}\right)i_2+\dfrac{1}{LC'}i_1=0 \end{cases} &\iff&  \begin{cases} -\omega^2 i_1+\dfrac{1}{L}\left(\dfrac{1}{C}+\dfrac{1}{C'}\right)i_1+\dfrac{1}{LC'}i_2=0 \\ -\omega^2 i_2+\dfrac{1}{L}\left(\dfrac{1}{C}+\dfrac{1}{C'}\right)i_2+\dfrac{1}{LC'}i_1=0 \end{cases} \\\\ &\iff&  \begin{cases} i_2=\left[LC'\omega^2 -\left(\dfrac{C'}{C}+1\right)\right]i_1 \\\\ i_1=\left[LC'\omega^2 -\left(\dfrac{C'}{C}+1\right)\right]i_2 \end{cases} \enskip\enskip (*)\end{matrix}


Nous en déduisons que:
\begin{matrix} \left[LC'\omega^2 -\left(\dfrac{C'}{C}+1\right)\right]^2=1&\iff& \left[LC'\omega^2 -\left(\dfrac{C'}{C}+1\right)-1\right]\left[LC'\omega^2 -\left(\dfrac{C'}{C}+1\right)+1\right]=0 \end{matrix}


Il s'ensuit que:
\omega^2LC'=2+\dfrac{C'}{C}\enskip\enskip\text{ ou }\enskip\enskip \omega^2LC'=\dfrac{C'}{C}


En sachant que la pulsation propre est une valeur positive, nous concluons que:

\boxed{\text{Les pulsations possibles sont: }\omega'=\dfrac{1}{\sqrt{LC}} \text{ et }\omega''=\sqrt{\dfrac{1}{L}\left(\dfrac{2}{C'}+\dfrac{1}{C}\right)}}


b) Comparaison de i_1\text{ et }i_2 lorsque \omega=\omega'\text{ et }\omega=\omega''\text{ :}

En remplaçant \omega par son expression dans (*)\text{ , on obtient }

\bullet \text{ Lorsque }\omega=\omega'=\dfrac{1}{\sqrt{LC}}\text{ :}\enskip\enskip\enskip \begin{matrix} i_1=\left[LC'\omega'^2 -\left(\dfrac{C'}{C}+1\right)\right]i_2 &\iff& i_1=\left(\dfrac{C'}{C} -\dfrac{C'}{C}-1\right)i_2 &\iff& \boxed{i_1=-i_2}\end{matrix}

\bullet \text{ Lorsque }\omega=\omega''=\sqrt{\dfrac{1}{L}\left(\dfrac{2}{C'}+\dfrac{1}{C}\right)}\text{ :}\enskip\enskip\enskip \begin{matrix} i_1=\left[LC'\omega''^2 -\left(\dfrac{C'}{C}+1\right)\right]i_2 &\iff& i_1=\left(2+\dfrac{C'}{C} -\dfrac{C'}{C}-1\right)i_2 &\iff& \boxed{i_1=i_2}\end{matrix}


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