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Physique · Prépa concours post-bac — ENSA & ENSAM

Oscillations libres dans un circuit RLC série

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

Le circuit RLC série est constitué d'un condensateur de capacité $C$, d'une bobine d'inductance $L$ et de résistance $r$, et d'un conducteur ohmique de résistance $R$.

  • Équation différentielle : En appliquant la loi d'additivité des tensions ($u_L + u_R + u_C = 0$), on obtient : $$LC \frac{d^2u_C}{dt^2} + (RC + rC) \frac{du_C}{dt} + u_C = 0$$
  • Énergie : L'énergie totale est $E_e = E_C + E_m = \frac{1}{2}Cu_C^2 + \frac{1}{2}Li^2$.
  • Amortissement : Si $R+r > 0$, l'énergie diminue par effet Joule.

Méthodes à maîtriser

  • Établir l'équation différentielle à partir de la loi des mailles.
  • Déterminer graphiquement la pseudo-période $T$ sur un oscillogramme.
  • Calculer la perte d'énergie entre deux instants : $\Delta E = E(t_2) - E(t_1)$.
  • Utiliser un dispositif d'entretien pour obtenir des oscillations sinusoïdales.

Exemples corrigés

  • Calcul de $L$ : Si $T \approx T_0 = 2\pi\sqrt{LC}$, alors $L = \frac{T^2}{4\pi^2 C}$.
  • Énergie dissipée : $\Delta E = E(T) - E(0)$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier la résistance interne $r$ de la bobine dans l'équation différentielle.
  • Confondre la période propre $T_0$ (théorique) et la pseudo-période $T$ (mesurée).
  • Croire que l'énergie totale se conserve dans un circuit RLC réel.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Oscillations libres dans un circuit RLC série

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Quelle est l'unité de la constante $LC$ ?

❓ Questions fréquentes

Est-ce que le condensateur se décharge totalement ?

Dans un régime pseudo-périodique, la tension $u_C$ oscille autour de zéro et finit par s'annuler après un temps très long.

💡 À retenir : L'amortissement finit par stopper le mouvement.

Kifach n-3rf wach l'amortissement kbir wla sghir?
  1. Regarde la courbe de $u_C(t)$.
  2. Si tu vois des oscillations qui diminuent, c'est un régime pseudo-périodique (amortissement faible).
  3. Si la courbe revient à zéro sans osciller, c'est un régime apériodique ou critique (amortissement fort).

💡 À retenir : Plus la résistance totale $(R+r)$ est grande, plus l'amortissement est fort.

Est-ce que l'énergie totale se conserve dans un circuit RLC ?

Non, dans un circuit RLC réel, l'énergie totale diminue au cours du temps à cause de l'effet Joule dans les résistances $R$ et $r$. Elle se transforme en chaleur.

💡 À retenir : $dE/dt = -(R+r)i^2 < 0$.

Chno hiya l'utilité dyal l'entretien des oscillations ?

L'entretien permet de compenser l'énergie perdue par effet Joule. On utilise un générateur qui délivre une tension proportionnelle à l'intensité $u_G = k \cdot i$. Cela permet d'obtenir des oscillations sinusoïdales entretenues.

💡 À retenir : L'entretien annule l'effet de la résistance totale.

Kifach n-7seb l'inductance L mn l'oscillogramme ?
  1. Mesure la pseudo-période $T$ sur le graphe (distance entre deux sommets).
  2. Utilise la relation $T \approx 2\pi\sqrt{LC}$.
  3. Isole $L$ : $L = \frac{T^2}{4\pi^2 C}$.

💡 À retenir : Cette formule n'est valable que si l'amortissement est faible.

Pourquoi on dit "oscillations libres" ?

On dit "libres" car le circuit n'est soumis à aucune tension extérieure imposée (générateur de tension) une fois le condensateur chargé. Le système évolue selon ses propres caractéristiques ($L, C, R$).

💡 À retenir : "Libre" = pas d'excitation extérieure.

Est-ce que la période propre T0 dépend de la résistance ?

Non, la période propre $T_0 = 2\pi\sqrt{LC}$ ne dépend que de $L$ et $C$. La résistance influence seulement l'amortissement et la pseudo-période $T$ (si l'amortissement est très fort).

💡 À retenir : $T_0$ est une caractéristique intrinsèque du circuit LC.

Comment varie l'énergie totale E au cours du temps ?

L'énergie totale $E(t)$ est une fonction décroissante du temps. Elle atteint ses valeurs maximales aux instants où l'énergie est soit purement électrique, soit purement magnétique.

💡 À retenir : La pente de $E(t)$ est toujours négative.

C'est quoi la différence entre T et T0 ?

$T_0$ est la période théorique d'un circuit LC idéal (sans résistance). $T$ est la pseudo-période mesurée dans un circuit RLC réel. En pratique, $T \approx T_0$ si la résistance est faible.

💡 À retenir : $T$ est toujours légèrement supérieure à $T_0$.

Est-ce que le courant i est nul quand uC est maximal ?

Oui, car $i = \frac{dq}{dt} = C \frac{du_C}{dt}$. Si $u_C$ est maximal, sa dérivée est nulle, donc $i = 0$. À cet instant, toute l'énergie est stockée dans le condensateur.

💡 À retenir : $u_C$ max $\implies$ $i = 0$.

Comment calculer la résistance totale d'un circuit ?

Si on connaît la constante de temps ou le taux d'amortissement, on peut l'extraire de l'équation différentielle. Sinon, on utilise la mesure de la pente de la décroissance de l'énergie.

💡 À retenir : $R_{tot} = R + r$.

Pourquoi on utilise un oscilloscope ?

Pour visualiser l'évolution temporelle de la tension $u_C(t)$ et mesurer directement la pseudo-période $T$ et l'amplitude des oscillations.

💡 À retenir : L'oscilloscope est l'outil indispensable pour l'étude expérimentale.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un circuit RLC série comporte un condensateur de $C = 10 \mu F$, une bobine de $L = 0,5 H$ et une résistance $R = 10 \Omega$. 1) Établir l'équation différentielle. 2) Calculer la période propre $T_0$.

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Exercice 2

Un circuit RLC a une énergie totale $E_0 = 1 mJ$ à $t=0$. À $t=T$, l'énergie est $E_1 = 0,8 mJ$. Calculer l'énergie dissipée par effet Joule.

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Exercice 3

Soit un circuit RLC. On donne $L=0,1 H$, $C=10 \mu F$. On veut entretenir les oscillations. Quel dispositif ajouter ?

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