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Physique-Chimie · 2 Bac Sciences Physiques

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, elle est caractérisée par son inductance $L$ (en Henry, H) et sa résistance interne $r$ (en Ohm, $\Omega$).
  • Tension aux bornes : $u_L = L \frac{di}{dt} + r \cdot i$. Si la bobine est idéale ($r=0$), alors $u_L = L \frac{di}{dt}$.
  • Équation différentielle : Pour un circuit RL série (générateur de tension $E$, résistance $R$, bobine $L, r$), la loi d'additivité des tensions donne : $L \frac{di}{dt} + (R+r)i = E$.
  • Solution : $i(t) = \frac{E}{R+r} (1 - e^{-\frac{t}{\tau}})$.
  • Constante de temps : $\tau = \frac{L}{R+r}$. Elle caractérise la durée du régime transitoire ($\approx 5\tau$).
  • Énergie magnétique : $E_m = \frac{1}{2} L i^2$.

Méthodes à maîtriser

  • Établir l'équation différentielle : Appliquer la loi d'additivité des tensions, exprimer $u_L$ et $u_R$, puis remplacer $i$ par sa dérivée si nécessaire.
  • Déterminer $\tau$ graphiquement : Utiliser la tangente à l'origine (elle coupe l'asymptote à $t=\tau$) ou la valeur $i(\tau) \approx 0,63 \cdot I_{max}$.
  • Calculer $L$ : Utiliser la valeur de $\tau$ et la résistance totale du circuit.

Exemples corrigés

  • Calcul de $\tau$ : Si $L = 0,5\text{ H}$ et $R_{tot} = 100\text{ }\Omega$, alors $\tau = \frac{0,5}{100} = 5 \cdot 10^{-3}\text{ s} = 5\text{ ms}$.
  • Régime permanent : En régime permanent, $\frac{di}{dt} = 0$, donc $u_L = r \cdot I_0$ et $I_0 = \frac{E}{R+r}$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier la résistance interne $r$ de la bobine dans le calcul de $\tau$ ou de $I_0$.
  • Confondre la tension aux bornes de la bobine $u_L$ avec celle d'une résistance.
  • Penser que le courant s'établit instantanément : il est retardé par le phénomène d'auto-induction.

🌉 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 l'inductance LL ?

❓ Questions fréquentes

Est-ce que la bobine se comporte comme un conducteur ohmique en régime permanent ?
  1. Oui, en régime permanent, le courant $i(t)$ devient constant ($I_0$).
  2. Comme $i$ est constant, sa dérivée $\frac{di}{dt}$ est nulle.
  3. L'expression $u_L = L \frac{di}{dt} + r \cdot i$ devient donc $u_L = r \cdot I_0$.
  4. La bobine se comporte alors comme un simple conducteur ohmique de résistance $r$.

💡 À retenir : En régime permanent, la bobine ne s'oppose plus aux variations du courant, elle se comporte comme une résistance $r$.

Kifach n7seb tau ila 3tani l'graphe dyal i(t) ?
  1. Trace la tangente à la courbe $i(t)$ à l'origine ($t=0$).
  2. Identifie l'asymptote horizontale qui correspond à la valeur maximale $I_{max}$.
  3. Le point d'intersection entre la tangente et l'asymptote a pour abscisse $\tau$.

💡 À retenir : $\tau$ est le temps nécessaire pour que le courant atteigne environ 63% de sa valeur maximale.

Pourquoi la bobine s'oppose-t-elle à l'établissement du courant ?
  1. Lorsqu'on ferme le circuit, le courant augmente.
  2. Cette variation de courant crée une variation du flux magnétique à travers la bobine.
  3. Selon la loi de Lenz, la bobine génère une force électromotrice d'auto-induction qui s'oppose à cette variation.

💡 À retenir : La bobine est un composant qui "freine" les changements brusques de l'intensité du courant.

Chno hiya l'unite dyal tau et kifach n'verifiha par analyse dimensionnelle ?
  1. L'unité de $\tau$ est la seconde (s).
  2. On a $\tau = \frac{L}{R}$. Comme $u = L \frac{di}{dt} \Rightarrow L = \frac{u \cdot t}{i}$.
  3. Et $R = \frac{u}{i}$.
  4. Donc $\tau = \frac{u \cdot t / i}{u / i} = t$.

💡 À retenir : Le rapport $L/R$ est homogène à un temps.

Est-ce que l'énergie emmagasinée dans la bobine est toujours positive ?
  1. L'expression est $E_m = \frac{1}{2} L i^2$.
  2. $L$ est toujours positive (inductance).
  3. $i^2$ est toujours positif ou nul.
  4. Donc $E_m \geq 0$.

💡 À retenir : L'énergie magnétique stockée dans une bobine ne peut jamais être négative.

Wach uL katkon dima positive ?
  1. Non, $u_L = L \frac{di}{dt} + r \cdot i$.
  2. Lors de la rupture du courant, $\frac{di}{dt}$ est négatif (le courant chute).
  3. Si la chute est très rapide, $L \frac{di}{dt}$ peut être très négatif, rendant $u_L$ négative.

💡 À retenir : $u_L$ peut être négative lors de la phase de rupture du courant.

Comment savoir si une bobine est idéale ou réelle ?
  1. Une bobine idéale a une résistance interne $r = 0$.
  2. Une bobine réelle a une résistance interne $r \neq 0$.
  3. Dans un exercice, si on te donne la valeur de $r$, elle est réelle. Si on te dit "bobine idéale", alors $r=0$.

💡 À retenir : La présence de $r$ modifie l'équation différentielle et la valeur de $I_{max}$.

Est-ce que la valeur de L dépend de l'intensité du courant ?
  1. Non, l'inductance $L$ est une caractéristique géométrique de la bobine (nombre de spires, longueur, noyau).
  2. Elle ne dépend pas du courant qui la traverse.

💡 À retenir : $L$ est une constante propre à la bobine, elle ne change pas avec $i$.

Si on augmente R, est-ce que tau augmente ou diminue ?
  1. On sait que $\tau = \frac{L}{R+r}$.
  2. Si $R$ augmente, le dénominateur augmente.
  3. Donc $\tau$ diminue.

💡 À retenir : Plus la résistance totale est grande, plus le régime transitoire est court.

Est-ce que l'énergie magnétique se dissipe ?
  1. Dans une bobine réelle ($r \neq 0$), l'énergie est dissipée par effet Joule sous forme de chaleur.
  2. Dans une bobine idéale, l'énergie est conservée tant que le courant est maintenu.

💡 À retenir : La résistance interne $r$ est responsable de la dissipation d'énergie.

Kifach n'biyen bli i(t) = A(1 - e^{-t/tau}) hiya l'hal dyal l'equation diff ?
  1. Calcule la dérivée $\frac{di}{dt} = A \cdot \frac{1}{\tau} e^{-t/\tau}$.
  2. Remplace $i(t)$ et $\frac{di}{dt}$ dans l'équation différentielle.
  3. Identifie les constantes pour que l'égalité soit vraie pour tout $t$.

💡 À retenir : Il faut toujours vérifier que la solution proposée satisfait l'équation et les conditions initiales.

Pourquoi on utilise souvent un oscilloscope pour visualiser uR au lieu de uL ?
  1. $u_R = R \cdot i$. Visualiser $u_R$ revient à visualiser l'évolution de $i(t)$ à un facteur $R$ près.
  2. C'est plus simple car $u_R$ est proportionnelle à $i$, alors que $u_L$ dépend de la dérivée de $i$.

💡 À retenir : On visualise $u_R$ pour observer directement la forme de l'évolution du courant.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

On réalise un circuit série comprenant un générateur de tension $E = 6\text{ V}$, un conducteur ohmique de résistance $R = 50\text{ }\Omega$ et une bobine de caractéristiques $(L, r = 10\text{ }\Omega)$.

  1. Établir l'équation différentielle vérifiée par l'intensité $i(t)$.
  2. En régime permanent, l'intensité est $I_0 = 100\text{ mA}$. Calculer $r$.
  3. Déterminer la constante de temps $\tau$ sachant que $L = 0,2\text{ H}$.
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Exercice 2

Un circuit RL est soumis à un échelon de tension. On obtient la courbe $i(t)$. La tangente à l'origine coupe l'asymptote $I_{max} = 0,2\text{ A}$ au point d'abscisse $t = 2\text{ ms}$.

  1. Déterminer la valeur de $\tau$.
  2. Sachant que la résistance totale du circuit est $100\text{ }\Omega$, calculer l'inductance $L$.
  3. Calculer l'énergie magnétique emmagasinée dans la bobine en régime permanent.
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Exercice 3

Un circuit comporte une bobine $(L, r)$ en série avec un interrupteur et un générateur $E$. On ferme l'interrupteur à $t=0$.

  1. Montrer que la solution de l'équation différentielle est de la forme $i(t) = A(1 - e^{-t/\tau})$.
  2. Déterminer $A$ et $\tau$ en fonction des paramètres du circuit.
  3. Calculer la valeur de $u_L$ à $t=0$.
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