CIRCUIT RLC SERIE I°/ REGIMES DE DECHARGE D’UN CONDENSATEUR 1) Régime de décharge pseudopériodique Lorsqu’un condensateur se décharge dans un circuit RL, on observe sur les enregistrements que la tension u passe par un maximum à intervalles de temps égaux. Cependant, ce maximum diminue au cours du temps : le circuit RLC est le siège d’oscillations libres amorties : on dit alors que le régime est pseudopériodique. L’amortissement est d’autant plus important que la résistance R du circuit est grande. La pseudo période T est la durée séparant, par exemple, deux passages par zéro dans le même sens. 2) Régime apériodique Pour de grandes valeurs de la résistance R du circuit, il n’y a pas d’oscillations : le régime de décharge est alors dit apériodique. 3) Régime périodique Lorsque la résistance globale du circuit est négligeable, l’amortissement devient nul : les oscillation sont non amorties, le régime est alors périodique. En pratique, il est impossible d’obtenir un régime périodique, la résistance n’étant jamais tout à fait négligeable II°/ ETUDE THEORIQUE D’UN REGIME PERIODIQUE 1) Equation différentielle D’après la loi d’additivité des tensions : uC uR ub 0 d 2u di d 2q L 2 LC 2C dt dt dt du dq RC C et uR Ri R dt dt Dans l’hypothèse où la résistance globale du circuit est négligeable, on a alors : et uR 0 On a : ub L D’où on a : LC d 2uC uC 0 dt 2 Divisons par LC, cela donne : d 2uC 1 uC 0 2 dt LC 2) Solution de l’équation différentielle L’équation y cos différentielle ax de la forme : y '' ay a une solution de la forme : 1 t . D’où ici : uC cos LC représente la plus grande valeur que peut prendre uC : c'est-à-dire l’amplitude Pour des conditions initiales telles que à t 0 : uC E et i 0 , 0 . 1 La solution de l’équation différentielle est alors : uC E cos t LC 3) Expression de l’intensité i dans le circuit De l’équation précédente, on déduit l’expression de l’intensité i en fonction du temps dans le du duC dq E 1 C C et circuit. En effet : i sin t dt dt dt LC LC CE 1 D’où : i sin t LC LC 4) Période Propre T0 La période propre du circuit vaut : T0 2 LC Avec : - L : inductance de la bobine en Henrys (H) - C : capacité du condensateur en Farads (F) III°/ ASPECT ENERGETIQUE 1) Energie emmagasinée dans un condensateur On démontre que : 1 EC CuC 2 2 2) Energie emmagasinée dans une bobine On démontre que : 1 Eb Li 2 2 3) Energie emmagasinée dans un circuit RLC à un moment donné A chaque instant t, l’énergie emmagasinée dans le circuit RLC a pour valeur : E t EC t Eb t 1 1 Cuc 2 Li 2 2 2 Remarque : un conducteur ohmique n’emmagasine aucune énergie : il ne fait que convertir l’énergie électrique en énergie thermique. 4) Evolution de l’énergie au cours du temps En régime pseudopériodique Au cours du temps, EC et Eb évoluent de façon périodique mais avec une diminution d’amplitude. L’énergie totale E EC Eb décroît donc au cours du temps pendant la décharge du condensateur. Cette diminution de E s’explique par une conversion partielle de l’énergiedu système en chaleur à chaque oscillation. En régime pseudopériodique, la décharge est oscillante : cela signifie qu’il y a transfert d’énergie du condensateur vers la bobine, puis de la bobine vers le condensateur et ainsi de suite. Ainsi, quand EC est maximum, Eb est nulle et vice versa. En régime apériodique En régime apériodique, il y a seulement transfert du condensateur vers la bobine avec dissipation de l’énergie par effet Joule dans le conducteur ohmique : l’énergie du condensateur décroît au cours du temps En régime périodique En régime périodique, l’amortissement est négligeable, ainsi que la résistance globale du circuit et donc la dissipation d’énergie par effet Joule est négligeable. Il y a donc transfert continuel d’énergie entre le condensateur et la bobine : l’énergie totale est constante (elle se conserve) 5) Entretien des oscillations d’un circuit RLC Pour compenser les pertes d’énergie par effet Joule, il suffit d’adjoindre au circuit RLC un générateur particulier qui fournit une énergie équivalente aux pertes par effet Joule. En effet, la puissance perdue par effet Joule est de : RT i 2 , avec RT résistance totale du circuit. Pour compenser ces pertes, le générateur doit donc fournir Pg RT i 2 . Or l’énergie fournie par un générateur est de Pg u g i Donc : ug i RT i 2 ug RT i Les oscillations entretenues sont sinusoïdales. Leur période T est égale à la période propre T0 des oscillations du circuit RLC d’amortissement négligeable : T T0 2 LC L’énergie totale est donc constante, les pertes par effet Joule étant intégralement compensées à chaque instant par la source d’énergie.