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درسالبكالورياإعلاميةالفيزياء

Ocillations électriques libres Amorties

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Prof: Med Dhafer Bahroun

Classe Bac Math

Oscillations électriques

Libres Amorties

Année Scolaire

2026/2027

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I- Production des oscillations électriques libres amorties

1/ Présentation de l'oscillateur (circuit (R+r , L , C)) :

On considère un circuit électrique (R+r , L , C) série, comportant :

ä une bobine, réelle, d'inductance L et de résistance interne r ;

ä un résistor de résistance R variable ;

ä un condensateur, de capacité C, initialement chargé : Q(0) = Q

max

.

a- Dispositif expérimental :

b- Expérience

* Commutateur en position (1) : le

condensateur se charge. Sa charge

maximale Q

max

= C·E.

* Commutateur en position (2) : le

condensateur va se décharger dans le dipôle

(R+r , L).

ä Sur la voie Y

A

de l'oscilloscope, on visualise l'évolution de la tension u

c

(t) = q(t)/C aux bornes du

condensateur.

ä Sur la voie Y

B

de l'oscilloscope, on visualise l'évolution de la tension u

R

(t) = R·i(t) aux bornes du

résistor.

2/ Les courbes de u

c

(t) et de u

R

(t) : (R+r) faible

Avec RC constante positive

3/ Interprétation de l'allure de u

c

(t) et u

R

(t)

ä À t = 0 s, le condensateur est complètement chargé positivement.

ä Juste après la fermeture du circuit, la charge q(t) décroît et i(t) = dq(t)/dt < 0.

ä Lorsque u

c

= 0 V (rupture du courant), l'intensité du courant, en valeur absolue, est maximale,

puis s'annule progressivement à cause du phénomène d'auto-induction. Ce courant

d'auto-induction charge le condensateur négativement. Lorsque i = 0 A, le condensateur est

complètement chargé négativement, il se décharge de nouveau… D'où la naissance des

oscillations : la tension u

c

aux bornes du condensateur varie (oscille) librement autour de u

c

= 0.

Ces oscillations sont amorties car l'amplitude (valeur maximale) de u

c

diminue au cours du

temps.

ä La décharge d'un condensateur à travers un dipôle (R+r , L) est oscillante (charge et décharge).

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ä Le circuit de décharge constitue un oscillateur libre amorti.

Les oscillations de q(t) et de i(t) : analyse sur une demi pseudo-période

ä Les oscillations de la charge q(t) et de l'intensité i(t) ne peuvent pas être périodiques, à cause de

la diminution de l'amplitude. Elles sont dites pseudo-périodiques de pseudo-période T.

t ∈ [0 , T/4] t = T/4 t ∈ [T/4 , T/2]

u

c

> 0 ; q > 0 ; i = dq/dt < 0.

Le courant ne passe pas

immédiatement de 0 à I

max

: la

bobine, avec sa f.é.m

d'auto-induction, s'oppose à

cette variation en ralentissant

l'établissement du courant.

u

c

= 0 ; q = 0 ; i = −I

max

.

Le condensateur est

complètement déchargé.

Le condensateur se charge de

nouveau et la bobine s'oppose à

la rupture du courant à cause de

sa f.é.m d'auto-induction, qui

donne un courant qui circule

dans le même sens (i < 0). q =

q

1

< q

0

: le condensateur est

complètement chargé, |q| <

q

max

.

4/ Conclusion :

ä La bobine s'oppose à l'augmentation et à l'annulation de l'intensité i(t) du courant électrique sur

des intervalles de temps successifs égaux à T/4.

ä La dissipation de l'énergie par effet Joule dans la résistance totale du circuit explique

l'amortissement observé : il se produit des oscillations amorties des grandeurs oscillantes q(t)

et i(t).

ä Ces oscillations sont dites (qualifiées) libres et amorties :

❖ libres : signifie que le circuit est abandonné à lui-même (le générateur est hors circuit).

❖ amortie : l'amplitude des oscillations décroît au cours du temps à cause de la résistance

du circuit qui dissipe de l'énergie par effet Joule.

II- Différents régimes d'oscillations

Influence de la résistance totale R

T

= R + r du circuit sur les oscillations :

1/ Régime pseudo-périodique :

ä Il est obtenu pour des amortissements R

T

faibles ( R

1

< R

2

< R

3

).

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* T est appelé pseudo-période.

* La charge q(t) effectue quelques oscillations avant de s'annuler (de revenir à son état

d'équilibre q = 0).

2/ Régime apériodique critique :

ä Il est obtenu pour une valeur particulière de R

T

= R

4

> R

3

.

Cette résistance R

4

appelée résistance critique,

notée R

C

= 2√(L/C) (hors programme).

* La charge s'annule rapidement sans

effectuer aucune oscillation.

* Retour le plus rapide vers la position

d'équilibre (q = 0 C).

3/ Régime apériodique :

ä Il est obtenu pour des amortissements élevés :

* La charge s'annule rapidement sans

effectuer aucune oscillation.

Conclusion :

ä Lorsque la valeur de la résistance R augmente, les oscillations deviennent de plus en plus

amorties et passent d'un régime d'oscillations appelé régime pseudo-périodique pour R

faible à un régime appelé régime apériodique pour R très grande.

ä La frontière entre le régime pseudo-périodique et le régime apériodique est appelée régime

critique ; il correspond au régime apériodique ayant la résistance R la plus faible.

III- Étude théorique :

1/ Les équations différentielles :

a- L'équation différentielle régissant l'évolution de la charge q(t) d'un oscillateur

électrique libre et amorti :

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D'après la loi des mailles :

Avec i = dq/dt et u

c

= q/C :

En divisant par L :

b- L'équation différentielle régissant l'évolution de la tension u

c

(t) :

Comme u

c

= q/C (C constante), on peut diviser l'équation précédente par C :

c- L'équation différentielle régissant l'évolution de la tension u

R

(t) :

On dérive la loi des mailles, puis on multiplie par R/L (avec u

R

= R·i) :

d- Déduisons l'équation différentielle régissant l'évolution de la tension u

b

(t) :

La bobine impose u

b

= L·di/dt + r·i. L'intensité i(t) vérifie l'équation obtenue en dérivant la loi des

mailles :

Comme u

b

est une combinaison linéaire de i et de sa dérivée, il vérifie la même équation différentielle

(après division par L) :

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IV- Étude énergétique :

1/ Énergie électromagnétique de l'oscillateur (R+r , L , C) à un instant t

ä Énergie électrique emmagasinée par le condensateur :

ä Énergie magnétique emmagasinée par la bobine :

ä Énergie électromagnétique :

2/ La non conservation de l'énergie électromagnétique de l'oscillateur (R+r , L ,

C) :

D'après la loi des mailles :

Signification physique : la relation dE/dt = −(R+r)·i² signifie qu'à tout instant t, la perte d'énergie

est égale à la puissance électrique instantanée transformée en chaleur par la résistance totale ( P

th

= (R+r)·i² ).

ä dE/dt ≤ 0 ⇒ l'énergie E ne se conserve pas ; dE/dt < 0 ⇒ E décroît au cours du temps.

ä Entre t = 0 et t = T

E

= T/2 (i = 0 aux deux instants, donc E

L

= 0) :

Variation de l'énergie : E

e

(t) en bleu, E

L

(t) en rouge (pointillés), E(t) en vert.

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Conclusion :

ä Au cours des oscillations de la charge entre le condensateur et la bobine, il y a transformation

mutuelle des énergies électriques et magnétiques : lorsque l'énergie électrique décroît,

l'énergie magnétique croît et inversement.

ä Ces transformations mutuelles ne sont pas intégrales : à chaque transfert de l'énergie du

condensateur vers la bobine et inversement, une partie de l'énergie est transformée par effet

Joule, sous forme de chaleur, dans la résistance totale (R+r) du circuit, jusqu'à dissipation totale

de l'énergie de l'oscillateur.

ä D'où la non conservation de l'énergie totale du système : cela est dû à la présence de

l'amortisseur (résistance) dans le circuit.