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Physique · Agronomie, vétérinaire & architecture — ENA (architecture)

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

  • Équation différentielle : Pour un circuit RLC série, la loi d'additivité des tensions donne $u_L + u_R + u_C = 0$. En remplaçant par les expressions, on obtient : $$LC \frac{d^2u_C}{dt^2} + RC \frac{du_C}{dt} + u_C = 0$$
  • Période propre : Si $R=0$ (circuit LC idéal), $T_0 = 2\pi\sqrt{LC}$.
  • Énergie : $E_e = \frac{1}{2} \frac{q^2}{C}$ et $E_m = \frac{1}{2} L i^2$. L'énergie totale $E = E_e + E_m$ diminue au cours du temps à cause de l'effet Joule.

Méthodes à maîtriser

  • Établir l'équation différentielle à partir de la loi des mailles.
  • Déterminer graphiquement la pseudo-période $T$ (distance entre deux maxima).
  • Calculer l'énergie dissipée par effet Joule : $\Delta E = E(t_2) - E(t_1)$.

Exemples corrigés

  • Calcul de L : Si $T_0 = 10$ ms et $C = 10$ µF, alors $L = \frac{T_0^2}{4\pi^2 C} \approx 2,5$ H.

Erreurs fréquentes

  • Oublier que $i = \frac{dq}{dt} = C \frac{du_C}{dt}$.
  • Confondre la période propre $T_0$ et la pseudo-période $T$.
  • Négliger la résistance interne de la bobine dans le calcul de $R_{totale}$.

🌉 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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Dans un circuit LC idéal, l'énergie totale est :

❓ Questions fréquentes

Chno hiya l'farq bin régime périodique o régime pseudo-périodique ?
  1. Le régime périodique (idéal) n'existe que si $R=0$ : l'énergie totale se conserve et les oscillations ne s'arrêtent jamais.
  2. Le régime pseudo-périodique existe si $R \neq 0$ (mais faible) : l'énergie diminue à cause de la résistance, et l'amplitude des oscillations diminue progressivement.

💡 À retenir : Dans un circuit réel, on est toujours en régime pseudo-périodique car il y a toujours une résistance.

Comment déterminer la valeur de la résistance R à partir d'un graphe ?
  1. On mesure la pseudo-période $T$ sur le graphe.
  2. Si $T \approx T_0$, on peut utiliser les mesures d'amplitude $u_{max}(t)$ à deux instants différents.
  3. La décroissance de l'amplitude est liée à $R$. Plus $R$ est grande, plus l'amortissement est rapide.

💡 À retenir : L'amortissement est d'autant plus rapide que la résistance $R$ est élevée.

Kifach n7seb l'energie li tbdlat (dissipée) f l'resistance ?
  1. Hseb l'energie totale f l'lahda $t_1$ : $E_1 = \frac{1}{2} C u_C(t_1)^2 + \frac{1}{2} L i(t_1)^2$.
  2. Hseb l'energie totale f l'lahda $t_2$ : $E_2 = \frac{1}{2} C u_C(t_2)^2 + \frac{1}{2} L i(t_2)^2$.
  3. L'energie dissipée hiya $\Delta E = |E_2 - E_1|$.

💡 À retenir : L'energie totale diminue toujours car elle se transforme en chaleur dans la résistance.

Pourquoi la période propre est-elle indépendante de l'amplitude ?

La période propre $T_0 = 2\pi\sqrt{LC}$ ne dépend que des caractéristiques du circuit ($L$ et $C$). L'amplitude initiale ne change pas la vitesse de rotation du vecteur de Fresnel associé.

💡 À retenir : $T_0$ est une constante propre au dipôle LC.

Est-ce que l'énergie totale est constante dans un circuit RLC ?

Non, elle diminue au cours du temps car la résistance transforme une partie de l'énergie électrique et magnétique en énergie thermique (effet Joule).

💡 À retenir : $E(t)$ est une fonction décroissante.

Wach l'bobine katkhzen tawa f chkel tayar ?

Non, la bobine stocke l'énergie sous forme magnétique ($E_m = \frac{1}{2} L i^2$). Le courant est le vecteur de cette énergie, mais ce n'est pas l'énergie elle-même.

💡 À retenir : $E_m$ dépend du carré de l'intensité $i$.

Quelle est la condition pour avoir des oscillations libres ?

Il faut que le circuit soit fermé (boucle) et qu'il contienne au moins un condensateur chargé et une bobine.

💡 À retenir : Le condensateur doit être chargé initialement pour fournir l'énergie au circuit.

Comment varie la tension aux bornes du condensateur si R augmente ?

Si $R$ augmente, l'amortissement devient plus fort. Les oscillations disparaissent plus rapidement (le régime peut même devenir apériodique).

💡 À retenir : Une grande résistance "étouffe" les oscillations.

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

Non, la période propre $T_0$ est définie pour $R=0$. Si $R$ est faible, la pseudo-période $T$ est très proche de $T_0$, mais $R$ ne modifie pas $T_0$.

💡 À retenir : $T_0$ ne dépend que de $L$ et $C$.

Kifach n3ref wach l'circuit f hal régime apériodique ?
  1. Ila chfti l'graphe dyal $u_C(t)$ o lqiti belli mkaynch oscillations (l'tension katnzel l'zero bla matfout l'zero).
  2. Hada kay3ni belli $R$ kbira bzaf (supérieure à $2\sqrt{L/C}$).

💡 À retenir : Régime apériodique = pas d'oscillations.

Pourquoi utilise-t-on une bobine réelle dans les exercices ?

Parce qu'une bobine réelle possède toujours une résistance interne $r$. Cela permet d'étudier le phénomène d'amortissement, qui est plus proche de la réalité physique.

💡 À retenir : $R_{totale} = R_{externe} + r$.

Quelle est la relation entre uC et i ?

La relation est $i = C \frac{du_C}{dt}$. Comme le courant sort de l'armature positive du condensateur, le signe est positif si le sens de $i$ est choisi en convention récepteur.

💡 À retenir : $i$ est la dérivée de la charge $q$ par rapport au temps.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un circuit RLC série comporte un condensateur de capacité $C = 10$ µF, une bobine d'inductance $L = 0,1$ H et de résistance négligeable, et un interrupteur. Le condensateur est initialement chargé sous une tension $U_0 = 6$ V. On ferme l'interrupteur à $t=0$.

  1. Établir l'équation différentielle vérifiée par $u_C(t)$.
  2. Déterminer la période propre $T_0$.
  3. Calculer l'énergie totale du circuit à $t=0$.
Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 2

Dans un circuit RLC avec $R = 50$ $\Omega$, $L = 0,2$ H et $C = 50$ µF, on observe des oscillations amorties.

  1. Calculer la valeur de la pseudo-période $T$ (on admettra $T \approx T_0$).
  2. À l'instant $t_1 = 0$, l'énergie est $E_1 = 10$ mJ. À l'instant $t_2 = T$, l'énergie est $E_2 = 8$ mJ. Calculer l'énergie dissipée par effet Joule entre ces deux instants.
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Exercice 3

On étudie l'aspect énergétique d'un oscillateur RLC. On donne $L=0,5$ H, $C=20$ µF.

  1. Exprimer l'énergie totale $E(t)$ en fonction de $u_C$ et $i$.
  2. Montrer que la dérivée de l'énergie totale est $\frac{dE}{dt} = -R i^2$. Interpréter ce résultat.
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