Un pendule électrique

Les condensateurs stockent l'énergie sous la forme d'un champ électrique et manifestent électriquement cette énergie stockée sous forme de potentiel :tension statique . Les inducteurs stockent l'énergie sous la forme d'un champ magnétique et manifestent électriquement cette énergie stockée sous la forme d'un mouvement cinétique d'électrons :courant .

Les condensateurs et les inducteurs sont les revers d'une même pièce réactive, stockant et libérant de l'énergie dans des modes complémentaires. Lorsque ces deux types de composants réactifs sont directement connectés ensemble, leurs tendances complémentaires à stocker de l'énergie produiront un résultat inhabituel.

Si le condensateur ou l'inducteur démarre dans un état chargé, les deux composants échangeront de l'énergie entre eux, dans les deux sens, créant leurs propres cycles de tension et de courant alternatifs.

Si nous supposons que les deux composants sont soumis à une application soudaine de tension (par exemple, à partir d'une batterie momentanément connectée), le condensateur se chargera très rapidement et l'inducteur s'opposera au changement de courant, laissant le condensateur à l'état chargé et l'inducteur dans l'état déchargé.

État initial :

Condensateur chargé :tension au pic (+) ; inductance déchargée :courant nul.

Le condensateur commencera à se décharger, sa tension diminuant. Pendant ce temps, l'inducteur commencera à accumuler une « charge » sous la forme d'un champ magnétique à mesure que le courant augmente dans le circuit.

Décharge du condensateur :diminution de la tension ; charge par inductance :courant croissant.

L'inductance, toujours en charge, maintiendra le courant circulant dans le circuit jusqu'à ce que le condensateur soit complètement déchargé, laissant une tension nulle à ses bornes.

Condensateur complètement déchargé :tension nulle ; inductance complètement chargée :courant maximum.

L'inducteur maintiendra le flux de courant même sans tension appliquée. En fait, il va générer une tension (comme une batterie) afin de maintenir le courant dans le même sens. Le condensateur, étant le destinataire de ce courant, commencera à accumuler une charge dans la polarité opposée comme avant.

Charge de condensateur :tension croissante (en polarité opposée); décharge de l'inductance :courant décroissant.

Lorsque l'inducteur est enfin épuisé de sa réserve d'énergie et que les électrons s'arrêtent, le condensateur aura atteint sa pleine charge (tension) dans la polarité opposée à celle de son démarrage.

Condensateur complètement chargé :tension à (-) crête ; inductance complètement déchargée :courant nul.

Nous sommes maintenant dans une situation très similaire à celle où nous avons commencé :le condensateur à pleine charge et un courant nul dans le circuit. Le condensateur, comme auparavant, commencera à se décharger à travers l'inducteur, provoquant une augmentation du courant (dans le sens inverse comme avant) et une diminution de la tension car il épuise sa propre réserve d'énergie.

Décharge du condensateur :diminution de la tension ; charge par inductance :courant croissant.

Finalement, le condensateur se déchargera à zéro volt, laissant l'inducteur complètement chargé avec le plein courant qui le traverse.

Condensateur complètement déchargé :tension nulle ; inductance complètement chargée :courant à (-) crête.

L'inducteur, désireux de maintenir le courant dans le même sens, agira à nouveau comme une source, générant une tension comme une batterie pour continuer le flux. Ce faisant, le condensateur commencera à se charger et le courant diminuera en amplitude.

Charge du condensateur :augmentation de la tension ; décharge de l'inductance :courant décroissant.

Finalement, le condensateur sera à nouveau complètement chargé car l'inducteur dépense toutes ses réserves d'énergie pour essayer de maintenir le courant. La tension sera à nouveau à son pic positif et le courant à zéro. Ceci termine un cycle complet d'échange d'énergie entre le condensateur et l'inducteur.

Condensateur complètement chargé :tension au pic (+) ; inductance complètement déchargée :courant nul.

Cette oscillation se poursuivra avec une amplitude décroissante régulièrement en raison des pertes de puissance dues aux résistances parasites dans le circuit, jusqu'à ce que le processus s'arrête complètement.

Dans l'ensemble, ce comportement s'apparente à celui d'un pendule :lorsque la masse du pendule oscille d'avant en arrière, une transformation de l'énergie se produit de la cinétique (mouvement) au potentiel (hauteur), d'une manière similaire à la façon dont l'énergie est transférée. dans le circuit condensateur/inducteur dans les deux sens sous les formes alternatives de courant (mouvement cinétique des électrons) et de tension (énergie électrique potentielle).

À la hauteur maximale de chaque oscillation d'un pendule, la masse s'arrête brièvement et change de direction. C'est à ce stade que l'énergie potentielle (hauteur) est maximale et l'énergie cinétique (mouvement) est à zéro.

Lorsque la masse revient dans l'autre sens, elle passe rapidement par un point où la corde est dirigée vers le bas. À ce stade, l'énergie potentielle (hauteur) est à zéro et l'énergie cinétique (mouvement) est au maximum. Comme le circuit, l'oscillation de va-et-vient d'un pendule se poursuivra avec une amplitude régulièrement amortie, le résultat de la friction de l'air (résistance) dissipant l'énergie.

Tout comme le circuit, les mesures de position et de vitesse du pendule tracent deux ondes sinusoïdales (90 degrés déphasés) au fil du temps.

Le pendule transfère l'énergie entre l'énergie cinétique et potentielle lorsqu'il oscille de bas en haut.

En physique, ce type d'oscillation sinusoïdale naturelle pour un système mécanique est appelé Mouvement harmonique simple (souvent abrégé en « SHM »). Les mêmes principes sous-jacents régissent à la fois l'oscillation d'un circuit condensateur/inducteur et l'action d'un pendule, d'où la similitude d'effet.

C'est une propriété intéressante de tout pendule que son temps périodique est régi par la longueur de la corde tenant la masse, et non par le poids de la masse elle-même. C'est pourquoi un pendule continuera à osciller à la même fréquence à mesure que les oscillations diminuent en amplitude. Le taux d'oscillation est indépendant de la quantité d'énergie qui y est stockée.

Il en est de même pour le circuit condensateur/inductance. Le taux d'oscillation dépend strictement de la taille du condensateur et de l'inducteur, et non de la quantité de tension (ou de courant) à chaque pic respectif des ondes.

La capacité d'un tel circuit à stocker de l'énergie sous forme de tension et de courant oscillants lui a valu le nom de circuit de réservoir . Sa propriété de maintenir une fréquence naturelle unique, quelle que soit la quantité ou le peu d'énergie qui y est réellement stockée, lui confère une importance particulière dans la conception de circuits électriques.

Cependant, cette tendance à osciller, ou à résonner , à une fréquence particulière n'est pas limité aux circuits exclusivement conçus à cet effet. En fait, presque n'importe quel circuit CA avec une combinaison de capacité et d'inductance (communément appelé "circuit LC") aura tendance à manifester des effets inhabituels lorsque la fréquence de la source d'alimentation CA approche de cette fréquence naturelle.

Cela est vrai quel que soit l'objectif du circuit.

Si la fréquence d'alimentation d'un circuit correspond exactement à la fréquence naturelle de la combinaison LC du circuit, le circuit est dit être dans un état de résonance . Les effets inhabituels atteindront leur maximum dans cette condition de résonance.

Pour cette raison, nous devons être capables de prédire quelle sera la fréquence de résonance pour diverses combinaisons de L et C, et connaître les effets de la résonance.

AVIS :

• Un condensateur et une inductance directement connectés ensemble forment quelque chose appelé un circuit de réservoir , qui oscille (ou résonne ) à une fréquence particulière. À cette fréquence, l'énergie est alternativement mélangée entre le condensateur et l'inductance sous la forme d'une tension et d'un courant alternatifs déphasés de 90 degrés l'un par rapport à l'autre.
• Lorsque la fréquence d'alimentation d'un circuit CA correspond exactement à la fréquence d'oscillation naturelle de ce circuit définie par les composants L et C, une condition de résonance aura été atteint.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail sur les principes fondamentaux de la communication radio
• Fiche de travail sur la résonance