Lois de Kirchhoff, dipôles électrocinétiques Le courant électrique

Lois de Kirchhoff, dipôles électrocinétiques
I Le courant électrique
A) Définition
1) Courant électrique
C’est un mouvement d’ensemble de particules chargées.
Courant de conduction : mouvement de porteurs de charges dans un
matériau conducteur fixe. Exemple : électron dans un métal, ions dans un
électrolyte.
Courant de convection : matériau chargé (charges fixes par rapport au
support matériel). Le mouvement du matériau provoque un courant de
convection.
Courant particulaire : mouvement de particules chargées dans le vide
(exemple : télévision)
2) Intensité du courant
Section S orientée
n
On note
dq
la charge totale qui traverse S entre les instants
dttt et
.
0dq
si les charges + vont dans le sens de
n
ou les charges dans le sens
de
n
. Sinon,
0dq
.
Alors
, intensité du courant traversant S dans le sens donné par
n
. le sens de
n
définit le signe de i.
 
1
C.sA
i
B) Conservation de la charge en régime stationnaire
un régime est continu ou stationnaire lorsque toutes les grandeurs sont indépendantes
du temps, c'est-à-dire
0
t
Circuit simple : ensemble de conducteurs en série formant une boucle fermée :
M
i(M,t)
Dans un circuit simple en régime stationnaire,
cte),( ItMi
.
Démonstration :
Déjà, i ne dépend pas de t (régime stationnaire).
Soient M1 et M2 deux sections. On note :
)(tQ
la charge totale dans le conducteur entre M1 et M2 à l’instant t,
1
dq
la charge totale traversant M1 entre
dttt et
2
dq
la charge totale traversant M2 entre
dttt et
A l’instant
dtt
, on a :
),(),(
),(),()()(
)()(
21
2121
21
tMitMi
dt
dQ
dttMidttMidqdqtQdttQ
dqdqtQdttQ
Le circuit est stationnaire. Donc
0
dt
dQ
Donc
),(),( 21 tMitMi
Représentation :
I
C) Approximation des régimes quasi-stationnaires (ARQS)
On considère un circuit simple en régime variable :
i(M,t0)
M
M’
L
Si le courant est
),( 0
tMi
en M à t0, il devient
),( 0
tMi
en M’ à
t
0
t
,
t
est
le temps nécessaire pour que l’information arrive à M’, c'est-à-dire
c
L
t
Donc
),'(),( 00 ttMitMi
t
i(M,t)
i(M’,t)
tt
0
0
t
),'(),( 00 ttMitMi
T
si
Tt 
(temps caractéristique des variations de i en M),
)(),'(),( titMitMi
L
c
f
fc
L
Tt 1
En général,
m1~L
. Il faut donc que
18 s10.3
f
; en général,
Hz106
f
La condition est donc satisfaite.
Représentation :
i(t)
D) Loi des nœuds
Définition : un réseau est un circuit non simple :
: Nœud du réseau
Un nœud est un point de connexion de 3 branches ou plus du réseau.
En régime continu ou en supposant l’ARQS :
dq1dq2
dq3
dq4
dq5
i1i2
i3
i4
i5
Conservation de la charge : la charge délimitée par S1, S2, S3, S4, S5 est
indépendante du temps. La charge qui rentre entre
dttt et
est donc égale à la charge
qui sort entre
dttt et
. Donc
35421 dqdqdqdqdq
, soit
35421 iiiii
, ou
0
54321 iiiii
Dans le cas général :
0
branches k
kk
i
, où
sortcourant le si 1
entrecourant le si 1
k
k
II Potentiel et tension électrique
A) Potentiel électrique
On admet l’existence, en tout point M de l’espace et à tout instant t, d’une
grandeur
),( tMv
, appelée potentiel électrique. Ainsi, une charge q située en M à t
possède une énergie potentielle électrique
),( tMvqEp
B) Tension loi des mailles
MM’
UMM’
),'(),()(
'tMvtMvtUMM
On considère un réseau électrocinétique. Une maille est un ensemble de mailles
formant une boucle fermée :
A1
A2
A3
An-1
An
On pose :
nii AAnAAiAAAA UUUUUUUU 112312 ;...;;...;; 21
Ainsi,
0...... 12312
21 n
AAAAAAn vvvvvvUUU
D’où la loi des mailles : la somme des tensions dans une maille est égale à 0 à
condition de prendre comme sens pour les tensions le sens de parcours de la maille :
0
branches k
kk
U
, où
inverse sens le dansest tension la si 1
sens même le dansest tension la si 1
k
k
 
132 A.s.m.kg(V)Volt
uv
III Dipôles électrocinétiques
A) Définition
C’est une portion de circuit reliée par deux fils :
AB
A et B sont les bornes du dipôle.
Le fonctionnement du dipôle est complètement caractérisé par deux grandeurs :
- Intensité I le traversant.
- Tension U entre ses bornes.
B) Notation et convention d’orientation
AB
UAB
BAAB ii
ou
: courant i allant de A vers B.
ABBA ii
BABAAB UvvU
- Convention récepteur :
et ABAB iU
sont en sens opposé
- Convention générateur :
et ABAB iU
ont le même sens
C) Caractéristique d’un dipôle
Généralement, u(t) ne dépend que de i(t) (et vice-versa)
Soit
tension)-courant stique(caractérig(u)i
ou
courant) - tension stique(caractéri)(ifu
Cela nécessite de préciser la convention générateur/récepteur choisie.
Exemple : pile (convention générateur)
u
i
e
e/rO
Caractéristique tension - courant
i
u
e/r
eO
Caractéristique courant - tension
Remarque : pour certains dipôles (condensateur, bobine), il n’y a pas de relation
instantanée.
D) Propriétés
1) Dipôle (non) polarisé
Le dipôle est non polarisé si U est changé en U quand i est changé en i :
Ou
-u
-i
i
(On a ainsi une fonction impaire)
Exemples :
Résistance :
u
i
i
u
Récepteur de force contre-électromotrice :
i
u
i
u
e' e
O
e'
Si
rieui ',0
Si
rieui ',0
Si
 
0,';' ieeu
Dipôle polarisé : (convention récepteur)
i
u
i
uOVs
Vs : tension de seuil
Caractéristique affine par morceaux :
0 si
si 0
iVu
Vui
S
S
2) Dipôle actif ou passif
Un dipôle actif est un dipôle dont la caractéristique ne passe pas par O, ou
0i
, même si
0U
. Exemple : générateur linéaire.
E) Point de fonctionnement
Exemple :
rVs > 0
i
e
u
i
u
générateur
Vs < eVs > e
e
e/r
O
Le point (u, i) de fonctionnement appartient à la fois à la caractéristique de la pile
(en convention générateur) et à celle de la diode (en convention récepteur). Il appartient
donc à l’intersection des deux.
0;: Si
0;: Si
ieueV rVe
iVueV
s
s
ss
F) Puissance électrocinétique reçue par un dipôle
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