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Niveau terminale
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équation différencielle en électricité

Posté par
letonio
28-08-05 à 12:41

bonjour à tous,
Je ne réussis pas à retrouver une formule qu'on me donne dans mon cours.
On cherche à établir l'équatin différentielle permettant de déterminer la tension Uab=u aux bornes du condensteur.
J'ai un circuit en série, et en suivant le sens du courant, j'ai un générateur idéal, une résistance (U_{DA}) et un condenstateur( U_{AB} ). Je reprends le cheminement de mon cours...

E= U_{DA}+U_{AB}
Or U_DA=R.i,
q_a= C.U_{AB}=C.U
et i= dq_A(t)/dt= C.dU/dt

Donc:
E=R.C dU/dt +U       E=.dU/dt +U

Première chose, j'ai pourtant vu ça en math, mais je ne me souviens plus exactement de ce que signifie le "d".

On montre en mathématiques que la solution de cette éqation différentielle est:
U= E(1-e^(-t/)

Pourriez-vous me rappeler comment on trouve cette solution?

Posté par
letonio
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 14:27

??

Posté par
cqfd67
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 14:31

salut,

en physique, dU/dt=U'(t)
c est a dire la derivee de U par rapport a t

Posté par
soucou
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 14:38

Bonjour,

Je reprends depuis le départ

D'après le lemme de Kirchhoff relatif au tension, on a u_R+u_C=E

La loi d'ohm relative à une résistance s'écrit comme suit u_R=r\cdot i\quad(L_{1})
La loi d'ohm relative au codensateur s'écrit \displaystyle u_C=\frac{1}{C}\int^t_{-\infty}i\cdot dt\quad (L_1)
D'après (L_2), tu peux déduire que i=C\frac{du_C}{dt}\quad(L_{2'})

Ne peux tu pas injecter (L_{2'}) dans (L_1)

Ainsi u_R=R\cdot i=RC\frac{du_C}{dt}

D'où, RC\frac{du_C}{dt}+u_C=E\quad (E) (remarque c'est ce que tu avais écris)

Tu résous d'abord l'ESSM RC\frac{du_C'}{dt}+u_C'=0\:\to\:u_C'=C^{ste}exp(\frac{-t}{RC})

Tu poses u_C=f\cdot u_C'\quad(L_3)

Tu injèctes \quad (L_3) dans l'EASM, ainsi RC\frac{du_C}{dt}+u_C=E\:\to\:RC\frac{df\cdot u_C'}{dt}+f\cdot u_C'=E

Or \frac{df\cdot u_C'}{dt}=f\frac{du_C'}{dt}+u_C'\frac{df}{dt}

Ainsi, RC\(f\frac{du_C'}{dt}+u_C'\frac{df}{dt}\)+f\cdot u_C'=E

En mettant f en facteur, il en vient u_C'\frac{df}{dt}RC+f\(RC\frac{u_C'}{dt}+u_C'\)=E

Je t'écris la suite dans deux secondes...

Posté par
soucou
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 14:48

Ainsi en divisant par RC, on a

u_C'\frac{df}{dt}=\frac{E}{RC}

Tu sors f, f=\int \frac{E}{u_C'RC}dt

Or u_C'=exp{\frac{-t}{RC} je ne tiens pas compte de la constante d'intégration...

Ainsi, f=\int \frac{E}{RC}exp(\frac{t}{RC}dt

D'où en multipliant par u_C' tu obtiens u_C

\red u_C=exp(\frac{-t}{RC})\int\frac{E}{RC}exp(\frac{t}{RC})dt

                             u_C est bien en Volt, il ne doit pas y avoir de bistrouille...



Voilà, mais bon ceci dit il y a bien plus simple en passant par la transformée de Laplace que j'étudis en ce moment...

Posté par
soucou
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 14:50

Juste une petite érreur de frappe en partant de la fin la cinquième ligne est enfait \displaystyle f=\int\frac{E}{RC}exp(\frac{t}{RC})dt

Posté par
letonio
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 15:11

Je ne comprends pas ton L1 bis (L2). Si c'est une intégrale, je ne comprends pas ce qui te permet d'utiliser ta notation.
Je suppose que tu veux arriver à:
Uc= i.dt/C
Mais que vient faire l'intégrale ici?

Je ne sais pas ce que sont l'ESSM, ni l'EASM. Peux tu me le préciser?

Posté par
soucou
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 15:31

Bonjour,

C'est tout simplement la loi d'ohm, il n'existe que trois formules (quoique...) pour les dipôles linéaires, tous sont du type u=f(i) avec u tension aux bornes du dipôle, et i courant le traversant

\displaystyle u(t)=\frac{1}{\:C\:}\int^t_{-\infty}i(t)dt=u(0)+\frac{1}{\:C\:}\int^t_0i(t)dt, on a bien la réciproque i(t)=C\frac{du_C}{dt}

IL est clair que dans de nombreux cas, la capacité est déchargée à la mise sous tension, d'où \displaystyle u(t)=\frac{1}{\:C\:}\int^t_0i(t)dt, connais tu la fonction \epsilon(t)=\{0 \text{ si }x<0\\1\:\text{autrement} (c'est juste une question) ?

ESSM = équation sans second membre par exemple y'+ay=0, on peut aussi dire équation homogène.

EASM = équation avec second membre par exemple y'+ay=b(x)

Dites le moi si je me trompe, je peux dire des bêtises.



PS: il se trouve qu'on ne procède pas de la sorte pour résoudre une équation de ce type en terminale...

Posté par
letonio
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 16:35

Bon je ne comprends pas comment on peut arriver à cette formule, mais tant pis, parce que je comprends le cheminement de mon bouquin jusque là...
Je connais l'ESSM et l'EASM mais je n'y avais jamais mis ces noms là...
Merci pour ces précisions.

Posté par
letonio
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 16:47

Je ne comprends pas ce que signifie exactement le d et ça me gêne beaucoup pour la suite.
Pourquoi est ce qu'on écrit :
i= dqa(t)/dt   et pas i= qa/t

Posté par
Nicolas_75
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 16:50

Bonjour,

soucou n'étant pas connecté, je me permets d'intervenir.

les "d" indiquent : dérivée !
\frac{dq_a}{dt}=q_a'(t)

Nicolas

Posté par
Nicolas_75
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 16:51

Cf. cqfd67 14h31

Posté par
cinnamon
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 16:52

Salut,

Un courant est un débit de charges d'où le dq/dt.

dx/dt signifie que tu dérives x par rapport au temps.

à+

Posté par
letonio
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 16:57

Est ce que je dois comprendre:
(qa/t)'= qa'(t)

ou alors
qa'/t'= qa'(t)

Posté par
letonio
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 17:00

ok j'ai retrouvé dans mon bouquin de math les renseignements que je vous demande...

Posté par
letonio
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 17:04

Par contre dans le cas où j'ai:
dqa(t)/dt
Qu'est ce que ça désigne exactement?

Posté par
Nicolas_75
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 17:06

OK. Tu as donc vu que ce que tu as écrit à 16h57 est faux.
Les "d" sont une notation de physique, mais bien pratique.

Par exemple :
soit y=f(x) et x=g(t)
y=fog(t)=h(t)

En notations habituelles :
h'(t)=g'(t).f'(g(t))

En notations physiciennes :
\frac{dy}{dt}=\frac{dy}{dx}.\frac{dx}{dt}
(l'expression de droite semble "se simplifier" par dx)

Nicolas

Posté par
Nicolas_75
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 17:07

dqa(t)/dt = qa'(t)
(Répétition de mon post de 16h50)

Posté par
letonio
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 17:13

Oui j'avais bien lu ton post de 16h50, mais je ne savais pas si cette "nouvelle" notation changeait les choses.

Posté par
letonio
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 17:22

Du coup, maintenant que je comprends la notation avec le d, je ne comrpends plus ce que je croyais clair.
Si le débit du courant est la charge par unité de temps, alors
I=Qa/t
Comment est-ce qu'on arrive à i= dqa/dt (=qa')?

Posté par
cinnamon
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 17:34

"Si le débit du courant est la charge par unité de temps, alors
I=Qa/t
Comment est-ce qu'on arrive à i= dqa/dt (=qa')?
"

Ouh là, je crois que tu t'emmêles un peu les pinceaux. Tout à l'heure à 16h52, j'ai dit que le courant était un débit de charges, c'est pas la même chose.

En fait, tu peux faire une analogie entre la vitesse et le courant.
Si la vitesse est constante, alors à tout instant tu as V=D/t avec D la distance parcourue.
Par contre, si la vitesse varie, pour calculer une vitesse instantanée tu calcules \frac{x-x_0}{t-t_0},  t tend vers t_0 ce qui est la définition du nombre dérivé de x en x_0.

En ce qui concerne le courant, tu as I= Q/t si le courant est constant avec Q la charge totale. Par contre s'il varie, tu dois introduire une dérivée.




Posté par
letonio
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 17:48

Oui je me suis mal exprimé, mais je maintiens ce que j'ai dit.
L'intensité est le débit de charges transportées, c-a-d la charge transportée par unité de temps.

Je sais qu'en courant continu,
I=qa/t

Mais j'ai une autre formule qui me laisse perplexe, qui me dit que i= dqa/dt

Posté par
letonio
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 17:49

Pourquoi est ce qu'on doit introduire la dérivée. Qu'est ce que la dérivée me donne exactement?

Posté par
letonio
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 17:49

J'y réfléchis...

Posté par
letonio
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 17:51

Je vois bien que tu m'as répondu, cinnamon, mais j'ai encore du mal à m'en faire une représentation correcte.

Posté par
cinnamon
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 17:55

As-tu bien lu ce que j'ai dit ?
"En ce qui concerne le courant, tu as I= Q/t si le courant est constant avec Q la charge totale".

Si le courant est constant, ça veut dire qu'il est continu et donc que tu peux appliquer la formule I= Q/t.

Par contre s'il varie (par exemple dans le cas d'un régime sinusoïdal), tu ne peux pas l'appliquer et tu dois dériver le nombre de charges par rapport au temps.

Posté par
cinnamon
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 17:57

"Je vois bien que tu m'as répondu, cinnamon, mais j'ai encore du mal à m'en faire une représentation correcte."

Je sais bien que c'est assez difficile à se représenter, c'est pour ça que j'ai fait le parallèle avec la vitesse. Si tu as compris pourquoi on a besoin de dériver pour calculer une vitesse instantanée, tu comprendras pour le courant.



Posté par
letonio
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 18:59

Oui je crois comprendre la différence entre courant alternatif et continu. Je vous écrit la manière dont je raisonne.

lim quand h tend vers 0  (q(t+h)-q(t))/h = q'(t)= dq/dt
Si j'ai une charge de 5C à l'instant t=1, et une charge de 3C à l'instant t=2, alors (3-5)/(2-1) désigne le nombre de charges perdues (dans ce cas là) par unité de temps entre les instants t=1 et t=2
Si on fait intervenir les limites pour deux instants t et t+h (avec h tend vers 0), lim (q(t+h)-q(t))/h = q'(t)= dq/dt désigne le nombre de charges que l'on gagne ou que l'on perd par unité de temps dans un intervalle infiniment court. Ou encore un genre de vitesse instantannée de gain ou de perte de charges à l'intant t.
Je ne comprends pas comment mon "genre de vitesse instantannée de gain ou de perte de charges à l'intant t" peut me permettre de retomber sur la formule, et de dire que c'est équivalent au débit de charges transportées.

Si quelqu'un a le courage d'essayer de mettre de l'ordre dans ce que je viens d'écrire, il est bienvenu.

Posté par
letonio
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 19:01

Je suppose que l'on utilise i (au lieu de I) pour désigner l'intensité en courant alternatif pour faire la différence avec le courant continu, et pour indiquer que l'on peut avoir une intensité négative. Est ce que c'est exact?

Posté par
soucou
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 19:04

Bonjour,

Effectivement j'ai pris un peu de repos cette après-midi

Est-ce que maintenant c'est clair pour le df/dx ou quelque chose d'analogue...

Il existe encor deux autre notation :

Par exemple, pour la dérivée première f^{'}(x)=f^{(1)}(x)=\frac{df}{dx}={f}\limits^{\bullet}(x) et pour la dérivée seconde f^{''}(x)=f^{(2)}(x)=\frac{d^2f}{dx^2}={f}\limits^{\bullet\bullet}(x)

letinio, je reprends... si tu n'as pas compris la démonstration qui amène à la formule en rouge, je peux toujours réexpliquer sinon admet ce résultat pour l'instant, il éxiste d'autre méthode qui amène à ce résultat.

\displaystyle u_C=exp(\frac{-t}{RC})\int\frac{E}{RC}exp(\frac{t}{RC})dt cette relation est vrai pour n'importe quel signal E, ou si tu préfères pour n'importe signal E(t)

Que ce passe t-il pour \red E(t)=C^{ste} ?

\displaystyle u_C=exp(\frac{-t}{RC})\int\frac{E}{RC}exp(\frac{t}{RC})dt=\frac{E}{RC}exp(\frac{-t}{RC})\int exp(\frac{t}{RC})dt=\frac{E}{RC}exp(\frac{-t}{RC})\(RC exp(\frac{t}{RC})+C^{ste}\) je rappelle que \int e^{ax}dx=\frac{1}{\:a\:}e^{ax}+C^{ste}

Ainsi u_C=E exp{\frac{-t}{RC}}\(exp{\frac{t}{RC}}+C^{ste}\)=E\(1+C^{ste}e^{\frac{-t}{RC}\)

En prenans C^{ste}=-1, on a le résultat que tu cherchais.

Attention quand je dis que C^{ste}=-1, cela n'implique pas du tout que E(t)=-1\:[V] !

N'hésite pas à me demander des précisions.

Posté par
cinnamon
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 19:04

"Je ne comprends pas comment mon "genre de vitesse instantannée de gain ou de perte de charges à l'intant t" peut me permettre de retomber sur la formule, et de dire que c'est équivalent au débit de charges transportées."

Quelle formule ?

Posté par
soucou
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 19:08

Non letonio, ne tombe pas dans le panneau, un courant/tension alternatif peut être continu ! De même un courant/tension sinusoïdale n'est pas forcèment alternatif...

Le courant tu peux l'appeler comme tu veux mais c'est vrai que l'on note conventionnellement une grandeur instantannée par une lettre minuscule.


Posté par
soucou
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 19:13

Encore une question, pourquoi vous parlez de charge, il est question de chercher une tension là et pas autre chose, non ?


Posté par
letonio
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 19:37

@cinnamon J'essaie de construire mon raisonnement. Je voudrais comprendre exactement pourquoi  dq/dt=i.
Je pars donc de ce que je crois comprendre, à savoir que dq/dt est un "genre de vitesse instantannée à laquelle on gagne ou on perd des charges à l'intant t". Et j'aimerais donc retomber sur la formule qui donne l'intensité.

@soucou, maintenant que je comprends ce que signifie la notation dq/dt, je me suis aperçu que je ne comprenais pas pourquoi on avait la formule i=dq/dt en courant alternatif. Dans l'immédiat, je me suis un peu écarté de ta démonstration.

"un courant/tension alternatif peut être continu " Qu'est ce que ça signifie? Tu veux dire à condition de le lisser?

Posté par
soucou
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 19:51

Si je prends la définition de alternatif qui est la suivante 'alternatif = qui va régulièrement dans un sens puis dans l'autre sens', y a t-il une notion faisant appelle à une sinusoïde ?

Un courant i(t) est dit alternatif sur une période T, si la relation \displaystyle <i(t)>=\frac{1}{\ T\ }\int_t^{t+T}i(t)dt=0 (valable pour d'autres grandeurs aussi)

Tu veux dire à condition de le lisser ? qu'entends tu par là ?

La formule i=\frac{dq}{dt} est valable partout ? Puisque le courant électrique est égal à la variation de la charge où si tu préfères, à la dérivée de la charge par le temps.

En effet si la charge est constante sur un certain intervalle, sa dérivée est nulle et donc tu obtiens un courant alternatif... Logique, non ?

Posté par
letonio
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 19:54

@soucou  Je reprends ta démonstration. Je bloque à la première étape de ton message de 14h48. Tu as divisé par RC, mais je ne comprends pas comment tu arrives à cette expression.
(u_c'.RC.df/dt+ f(RC.du_c'/dt+u_c')/RC
= u_C'.df/dt + f.du_c'/dt+ fu_C'/RC =E/RC

Et après?

Posté par
soucou
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 20:04

N'est-ce pas trivial ?

N'ai-je pas calculer RC\frac{du_C'}{dt}+u_C'=0\:\Rightarrow\:\frac{du_C'}{dt}+\frac{1}{RC}=0 ?

Je mais f en facteur et,

u_C'\frac{df}{dt}RC+f\underbrace{\(RC\frac{u_C'}{dt}+u_C'\)}_{=0}=E

Est-ce cela que tu demandes ?

Posté par
letonio
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 20:09

Oui c'était ça que je demandais.

Posté par
letonio
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 20:15

Ok j'arrive à ta formule en rouge de ton message de 14h48. Par contre comment je fais pour passer de cette formule à :
u_c= E(1-e^(-t/RC))

Posté par
letonio
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 20:16

Oups désolé tu as écrit la suite. Je continue.

Posté par
letonio
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 22:33

Ok j'ai compris ta démonstration.

Par contre je vais avoir besoin demain de revenir sur la formule i= dq/dt
et sur la raison qui fait qu'un "courant/tension alternatif peut être continu"...

Posté par
soucou
re : équation différencielle en électricité 28-08-05 à 23:16

Ok, très bien si tu veux demain on passe au cas du circuit RLC série si ça te dit

Pour ce qui est du i=\frac{dq}{dt}, il faut se représenter un graphe avec l'axe des temps en abscisse et l'axe du courant en ordonné. La relation i=f(t)

Bah, la charge Q, c'est tout simplement l'aire entre la courbe et l'axe des abscisses, ainsi Q=\int i\cdot dt\quad(L_1). La dérivée de Q est dq/dt

Ainsi en dérivant de par et d'autre la relation (L_1), tu obtiens \frac{dq}{dt}=\frac{d}{\ dt\ }\int i\cdot dt\:\Rightarrow\:\frac{dq}{dt}=\frac{i\cdot dt}{dt}... D'où le résultat.

C'est un peu prés les seuls infos que j'ai, je ne me suis jamais posé de questions à propos de cette formule.

courant/tension alternatif peut être continu

Ben oui un courant nul...

Sur ce je vais un peu reposer mes neurones.

Posté par
letonio
re : équation différencielle en électricité 29-08-05 à 10:53

"Bah, la charge Q, c'est tout simplement l'aire entre la courbe et l'axe des abscisses"
Oui mais entre quelles bornes? Si t tend vers +inf, Q tend aussi vers +inf.
Je veux dire si Q=i.dt comment est ce qu'on peut se passer des bornes pour l'intégrale?
D'ailleurs je ne comprends pas vraiment pourquoi Q est égal à cette intégrale.

Posté par
cinnamon
re : équation différencielle en électricité 29-08-05 à 10:57

Salut,
soit une fonction f définie sur \mathbb{R} et f' sa dérivée. f est une primitive de f' par définition et donc \Bigint f'(x) dx = f(x) + cste .

Posté par
letonio
re : équation différencielle en électricité 29-08-05 à 11:20

Oui ça d'accord, mais je ne comprends pas ce qui permet d'écrire que
Q= i.dt
Je crois comprendre par contre pourquoi on n'a pas besoin des bornes.

Posté par
soucou
re : équation différencielle en électricité 29-08-05 à 11:27

Salut letonio et autres

Si tu veux tu peux écrire que Q(t)=\int i(t)dt, on a besion des bornes parexemple lors du calcul de la moyenne de la charge pendant un intervalle de temps T=t_2-t_1

\displaystyle <Q(t)>=\frac{1}{t_2-t_1}\Bigint^{t_2}_{t_1}i(t)dt

Mias je pense que tu sais que Q(t)\no=<Q(t)> mis à part en continu.

Posté par
letonio
re : équation différencielle en électricité 29-08-05 à 11:30

Je ne sais absolument pas ce que signigient les < > de < Q(t)>

Posté par
soucou
re : équation différencielle en électricité 29-08-05 à 11:33

La notation entre crochet signifie valeur moyenne

En maths, on prefère écrire par exemple \overline{Q}(t), la lettre \mu peut aussi servir à cette usage, il me semble.

Posté par
letonio
re : équation différencielle en électricité 29-08-05 à 11:45

Ok je crois que j'arrive à le concevoir. Si i(t) est la charge transportée par unité de temps à l'instant t, Q(t) est la charge totale transportée à l'instant t.
Et tout est clair... à part ton Q(t) différent de <Q(t)>

Posté par
letonio
re : équation différencielle en électricité 29-08-05 à 11:47

oups désolé je n'avais pas lu tes explications

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