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Physique · Prépa concours post-bac — CPGE (dossier & entretien)

Dipôle RL

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

  • La bobine : Composée d'un fil conducteur enroulé, caractérisée par son inductance $L$ (en Henry H) et sa résistance interne $r$.
  • Tension aux bornes : $u_L = L \frac{di}{dt} + ri$.
  • Équation différentielle (établissement) : Pour un circuit série (Générateur E, R, L), on a $E = u_R + u_L$, soit : $$L \frac{di}{dt} + (R+r)i = E$$
  • Solution : $i(t) = \frac{E}{R+r} (1 - e^{-\frac{t}{\tau}})$ avec $\tau = \frac{L}{R+r}$.
  • Énergie magnétique : $E_m = \frac{1}{2} L i^2$.

Méthodes à maîtriser

  1. Établir l'équation différentielle : Utiliser la loi d'additivité des tensions ($U_{gen} = \sum U_{récepteurs}$).
  2. Déterminer $\tau$ graphiquement : Utiliser la tangente à l'origine ou la valeur $0,63 I_{max}$.
  3. Calculer $L$ : Utiliser la valeur de $\tau$ et la résistance totale du circuit.

Exemples corrigés

  • Calcul de $\tau$ : Si $L=0,5 H$ et $R_{tot}=100 \Omega$, alors $\tau = 0,5 / 100 = 5 ms$.
  • Régime permanent : En régime permanent, $\frac{di}{dt} = 0$, donc $u_L = r \cdot I_{max}$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier la résistance interne $r$ de la bobine dans le calcul de la résistance totale.
  • Confondre $u_L$ avec $L \frac{di}{dt}$ (oublier le terme $ri$).
  • Penser que $i(t)$ s'annule instantanément lors de la rupture (elle est continue).

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Dipôle RL

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Quelle est l'unité de la constante de temps $\tau$ ?

❓ Questions fréquentes

Est-ce que l'énergie magnétique peut être négative ?

Non, l'énergie magnétique $E_m = \frac{1}{2} L i^2$ est toujours positive ou nulle car $L > 0$ et $i^2 \geq 0$.

💡 À retenir : L'énergie est toujours stockée, jamais consommée par la bobine (sauf par effet Joule via $r$).

Quelle est la relation entre la constante de temps et la vitesse de réponse du circuit ?

Plus $\tau$ est petit, plus le régime transitoire est court et plus le circuit atteint rapidement son régime permanent.

💡 À retenir : $\tau$ est inversement proportionnel à la résistance totale.

C'est quoi la différence entre une bobine idéale et une bobine réelle ?
  1. Une bobine idéale a une résistance interne $r = 0$.
  2. Une bobine réelle possède une résistance interne $r \neq 0$ due au fil de cuivre.

💡 À retenir : Dans les exercices, vérifie toujours si l'énoncé précise $r=0$ ou non.

Kifach n7seb tau ghir mn l'mbyana (graphique) ?
  1. Tracer la tangente à la courbe $i(t)$ à l'instant $t=0$.
  2. Le point d'intersection de cette tangente avec l'asymptote horizontale ($I_{max}$) donne la valeur de $\tau$ sur l'axe des abscisses.

💡 À retenir : $\tau$ est le temps nécessaire pour atteindre environ 63% de la valeur maximale.

Est-ce que l'intensité du courant peut changer brusquement dans une bobine ?

Non, l'intensité du courant $i(t)$ est une fonction continue. Elle ne peut pas subir de saut brutal à cause de la propriété d'auto-induction de la bobine qui s'oppose aux variations du courant.

💡 À retenir : La continuité de $i(t)$ est une condition nécessaire pour résoudre les équations différentielles.

Chno hiya l'unité dyal l'inductance L ?

L'unité de l'inductance $L$ est le Henry, noté $H$.

💡 À retenir : $1 H = 1 V \cdot s \cdot A^{-1}$.

Pourquoi on dit que la bobine s'oppose à l'établissement du courant ?

À cause du phénomène d'auto-induction : toute variation de courant crée une force électromotrice induite qui s'oppose à la cause qui lui a donné naissance (Loi de Lenz).

💡 À retenir : La bobine agit comme une "inertie" électrique.

Kifach n3ref wach l'circuit f régime permanent ?

Le circuit est en régime permanent quand la courbe $i(t)$ devient horizontale (constante). Mathématiquement, cela signifie que $\frac{di}{dt} = 0$.

💡 À retenir : En régime permanent, la bobine se comporte comme un simple conducteur ohmique de résistance $r$.

Comment calculer la résistance interne r si on connaît I{max} et E ?
  1. En régime permanent, $E = (R+r)I_{max}$.
  2. Donc $R+r = \frac{E}{I_{max}}$.
  3. On en déduit $r = \frac{E}{I_{max}} - R$.

💡 À retenir : Utilise toujours les valeurs du régime permanent pour trouver $r$.

Est-ce que la bobine consomme de l'énergie ?

La bobine idéale ne consomme pas d'énergie. Cependant, la bobine réelle, à cause de sa résistance interne $r$, dissipe de l'énergie par effet Joule : $P_J = r \cdot i^2$.

💡 À retenir : Seule la résistance dissipe l'énergie.

Pourquoi on utilise une diode dans certains circuits RL ?

La diode est utilisée lors de la rupture du courant pour éviter les étincelles de rupture aux bornes de l'interrupteur, en permettant au courant de circuler dans une boucle fermée (roue libre).

💡 À retenir : La diode protège les composants du circuit.

Est-ce que tau dépend de la tension du générateur E ?

Non, $\tau = \frac{L}{R+r}$ ne dépend que des caractéristiques du circuit ($L, R, r$).

💡 À retenir : La tension $E$ modifie $I_{max}$ mais pas la durée du régime transitoire.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un circuit série comporte un générateur de tension $E=6V$, une bobine ($L=0,2H, r=10\Omega$) et un conducteur ohmique $R=20\Omega$.

  1. Établir l'équation différentielle vérifiée par $i(t)$.
  2. Déterminer l'expression de $I_{max}$.
  3. Calculer la constante de temps $\tau$.
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Exercice 2

On visualise la tension $u_R(t)$ aux bornes d'un conducteur ohmique. La courbe montre que $I_{max} = 50 mA$ et $\tau = 2 ms$. Sachant $R=100\Omega$, calculer $L$ et $r$ si $E=10V$.

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Exercice 3

Démontrer que l'expression $i(t) = A(1 - e^{-t/\tau})$ est solution de l'équation $L \frac{di}{dt} + Ri = E$.

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