Le dipôle RL
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• visualiser l'établissement et la rupture du courant dans un dipôle RL ;
• établir l'équation différentielle vérifiée par i(t) et la résoudre ;
• exprimer la tension aux bornes de la bobine pendant ces régimes transitoires ;
• connaître l'influence de R et de L et déterminer la constante de temps τ = L/R.
Prérequis : la bobine (e = -L.di/dt, u = L.di/dt + r.i), le dipôle RC, loi des mailles.
Situation de départ
Quand on ferme un circuit contenant une bobine, le courant ne s'établit pas instantanément ; quand on l'ouvre, il ne s'annule pas instantanément non plus, et une étincelle peut jaillir. Les bobines servent ainsi à lisser le courant dans les alimentations, ou à produire de hautes tensions dans les allumages.
Comment évolue l'intensité dans un circuit qui contient une bobine, et en combien de temps ?
I. Établissement du courant dans un dipôle RL
1. Mise en évidence
Le dipôle RL associe en série une bobine (L, r) et un résistor R0 ; sa résistance totale est R = R0 + r.
Expérience : E = 6 V, L = 0,1 H, r = 10 Ω, R0 = 40 Ω. À la fermeture de K, uAM = E s'établit instantanément (voie Y1), tandis que uBM = R0.i (voie Y2, image de i) croît progressivement jusqu'à U0 = 4,8 V < E : c'est un régime transitoire, suivi d'un régime permanent.
On trouve I0 = U0/R0 = 0,12 A = E/R. En régime permanent, uAB = r.I0 = 1,2 V : la bobine ne se comporte plus que comme un résistor de résistance r. Le retard est dû à la f.é.m. auto-induite qui s'oppose à l'établissement du courant.
2. Étude théorique
Mise en équation : uAB + uBM = E, avec uAB = L.didt + r.i et uBM = R0.i :
Résolution : on cherche i = A.e-αt + B. À t = 0, i = 0 donc B = -A. En reportant dans l'équation, on obtient pour tout t : A.e-αt(1 - α.τ) - A = E.τ/L ; il faut donc α = 1/τ et -A = E/R.
II. Rupture du courant
Le régime permanent étant établi (I0 = E/R), on ouvre K. Le courant ne s'annule pas brusquement : la f.é.m. auto-induite fait circuler, dans la boucle bobine-résistor-diode (désormais passante), un courant de même sens qu'avant la rupture (loi de Lenz), qui décroît jusqu'à zéro.
Sans la diode, une tension très élevée apparaîtrait aux bornes de la bobine et provoquerait une étincelle de rupture dans l'interrupteur : ne réalisez jamais cette expérience sans diode, surtout avec une bobine de forte inductance.
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