TD E2 : Comment étudier un circuit électrique linéaire

TD E2 : Comment étudier un circuit électrique linéaire ?




But du chapitre

Apprendre à analyser un circuit électrocinétique, c'est-à-dire à en repérer
la structure générale de manière à pouvoir en chercher plus efficacement
les grandeurs inconnues : les tensions et les intensités des courants.



Plan prévisionnel du chapitre

E2 : Comment étudier un circuit électrique linéaire ?
I. Quelques dipôles linéaires
A. Conducteur ohmique
B. Source de tension idéale
C. Source de courant idéale (libre)
D. Générateur réel
II. Quelles tactiques pour étudier un circuit électrique ?
A. Circuit à une maille
B. Circuit à deux n?uds
C. Revenir à un circuit à une maille ou à deux n?uds
D. Théorème de superposition linéaire




Savoirs et savoir-faire

Ce qu'il faut savoir :
. La représentation, la loi associée et la caractéristique d'un
résistor, d'un générateur de tension et d'un générateur de courant.
. Les modèles de Thévenin et Norton pour les générateurs et la relation
d'équivalence.
. Association de résistors en série et en parallèle : donner la
résistance équivalente ainsi que les formules du pont diviseur de
tension et du pont diviseur de courant.
. La loi de Pouillet.
. La loi des n?uds en termes de potentiels et le théorème de Millman
. Le théorème de superposition.
Ce qu'il faut savoir faire :
. Démonter la loi de Pouillet.
. Etablir les résultats concernant les associations de résistors, les
ponts diviseurs de tension ou de courant.
. Retrouver la relation d'équivalence entre les modèles de Thévenin et
de Norton.
. Calculer une intensité et une tension par application directe des lois
des n?uds et des mailles.
. Calculer une intensité et une tension par application de la loi des
n?uds en termes de potentiels ou le théorème de Millman.
. Calculer une intensité et une tension par application du théorème de
superposition.
. Calculer des résistances équivalentes.
. Utiliser les ponts diviseurs de courant et de tension.
. Simplifier le schéma d'un circuit par associations de résistances et
de générateurs.


Erreurs à éviter/ conseils :


Des deux orientations conventionnelles possible de l'intensité, il est
préférable de choisir la plus physique, c'est-à-dire celle qui
correspond au sens réel du courant s'il est prévisible (par exemple :
à l'extérieur d'un générateur continu, le courant va du + vers le -)
afin que i > 0.


Les lois de l'électrocinétique sont simples, mais les grandeurs y sont
algébriques. L'application de la loi des mailles et des n?uds par
exemple ne supporte pas de négligence sur les signes. On peut s'aider
de flèches de tension aux bornes de chaque dipôle d'une maille avant
d'écrire la loi des mailles. Par ailleurs, dans un circuit à plusieurs
branches, il peut se faire qu'une résistance se retrouve en «
convention générateur » ou un générateur en « convention récepteur
»..., donc attention aux signes.


Ne pas confondre le courant électrique et la variable qui sert à le
décrire : l'intensité du courant électrique. Notamment le sens du
courant est lié au déplacement réel des porteurs de charge, qui ne
dépend en aucun cas du choix d'orientation du conducteur, alors que le
signe de l'intensité est lié au choix d'orientation.


Lors du choix des variables intensité de chaque branche d'un réseau
électrique, il faut tenir compte tout de suite de la loi des n?uds
pour limiter le nombre de variables. Les équations de maille
fournissent le nombre d'équations nécessaire à la résolution (c'est-à-
dire égal au nombre de variables puisque le problème a une solution
unique). Avec les équations de branche, les relations i(u) aux bornes
de chaque branche (i = u/R, i = Cdu/dt,...), on peut se ramener à un
système dont les inconnues sont les tensions (en général préférable)
ou tes intensités ou un panachage des deux.


Ne pas commencer à transformer les équations issues des lois
générales, sans s'être assuré que le nombre d'équations est égal au
nombre d'inconnues, et que ces équations sont indépendantes.


Savez-vous votre cours ?

Lorsque vous avez étudié votre cours, vous devez pouvoir répondre
rapidement aux questions suivantes :
. Rappeler le principe du passage de la représentation Thévenin à la
représentation Norton d'une source linéaire. Quel lien existe-t-il
entre le courant électromoteur d'une source de courant (représentation
de Norton) et l'intensité du courant de court-circuit de la source
équivalente dans la représentation de Thévenin ?
. Rappeler par un schéma et son résultat le principe d'un diviseur de
tension ; puis d'un diviseur d'intensité. Préciser clairement les
conditions de validité de ces lois.
. Dans la représentation symbolique d'un réseau (ou circuit électrique),
qu'appelle-t-on n?ud, branche et maille ? Donner un exemple pour
chaque terme.
. Sous quel nom regroupe-t-on loi des mailles et loi des n?uds ? Quelle
est l'importance de ces lois en électrocinétique ?
. Quel est l'autre nom du théorème de Millman ? En vous aidant d'un
schéma, rappeler sa formulation, d'abord dans le cas simple de
branches résistives, puis en envisageant des branches de natures
diverses. Quelles sont les conditions de validité du théorème de
Millman ?








Applications du cours


Application 1 : Diviseur de tension
On considère le circuit suivant. Exprimer U1, U2 et U3 en fonction de E,
R1, R2 et R3.











Application 2 : Diviseur de courant
On considère le circuit suivant. Exprimer I1, I2 et I3 en fonction de I,
R1, R2 et R3.

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Application 3 : association en série et en parallèle
Dans le circuit suivant, repérer les dipôles associés en série et en
parallèle.
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Application 4 : résistance équivalente
Toutes les résistances sont identiques de valeur R. Déterminer la
résistance équivalente vue entre les bornes A et B pour les schémas ci-
dessous.
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Application 5 : association de générateurs
On considère le circuit suivant. Exprimer U et I en fonction de R et E.
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Application 6 : association de générateurs
On considère le circuit suivant. Exprimer U et I en fonction de R et ?.

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Application 7 : équivalence des modèles de Thévenin et de Norton
On considère le circuit suivant. Exprimer U en fonction de E, R et ?.
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Application 9 : équivalence des modèles de Thévenin et de Norton
On considère le circuit suivant. Exprimer I en fonction de E et R.
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Application 10 : Théorème de superposition
Exprimer l'intensité i du courant circulant dans la résistance R en
superposant deux états électriques du circuit.
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Exercices

Exercice 1 : Equivalence étoile-triangle
On considère une portion de circuit constituée par trois résistances r1,
r2, r3 montées en « triangle » et qui comporte trois pôles A, B et C On
veut déterminer les expressions de R1, R2, R3 (en fonction de r1, r2, r3)
qu'il faut placer en « étoile » pour que les deux circuits soient
équivalents d'un point de vue électrique.
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1. Exprimer la différence de potentiels VA - VB pour les deux montages
en fonction des courants i1 et i2 pour l'un et de j3 pour l'autre.
2. Exprimer j3 en fonction des courants i1 et i2. Remplacer dans
l'expression de la question l et en déduire les valeurs de R1 et R2. Donner
aussi R3 de façon analogue.

Exercice 2 : Calcul du courant dans une branche
On a pour le circuit représenté E = 10 V, R = 5,0 ?, R1 = 15 ?, R2 = 10 ?,
R3 = 15 ?, R4 = 9,0 ?.
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1. Calculer la résistance Req qui est équivalente à l'association de R1 à
R4 et est alimentée par la source de Thévenin (e, R). En déduire la valeur
numérique de l'intensité i débitée par la source de tension.
2. Calculer l'intensité i1 traversant le conducteur ohmique de résistance
R1.









Exercice 3 : Pont de Wheastone
Un pont de Wheatstone est constitué de quatre résistances
selon le montage ci-contre.
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1. Déterminer la valeur des courants I1, I3 et I fonction de E et des
résistances du circuit. En déduire les tensions U1 et U3.
2. Retrouver la valeur des tensions U1 et U3 en utilisant la formule du
diviseur de tension. En déduire la valeur de la tension U. Quelle doit être
la relation entre les résistances pour que U soit nulle ? (On dit alors que
« le pont est équilibré ».)
3. On branche maintenant entre les bornes B et D un ampèremètre de
précision, que l'on modélise par un conducteur de résistance r.
a) A quelle condition sur les potentiels VB et VD l'ampèremètre indique-t-
il zéro ?
b) Appliquer le théorème de Millman en B et en D. En déduire que
l'ampèremètre indique zéro quand les quatre résistances vérifient la
relation trouvée à la question 2.
4. Les valeurs des résistances R1, R4 étant connues très précisément et la
résistance R2 variable mais dont on peut lire la valeur, quel est l'intérêt
d'un tel montage ?


Exercice 4 : Utilisation de plusieurs méthodes
1. On donne E = 5,0 V, R = 10 ? et I0 = 0,20 A.
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