Pendule électrique : comment condensateurs et inductances échangent l'énergie

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

Les condensateurs et les inductances sont les deux faces d'une même pièce réactive, stockant et libérant l'énergie de manière complémentaire. Lorsque ces deux types de composants réactifs sont directement connectés ensemble, leurs tendances complémentaires à stocker l'énergie produisent un résultat inhabituel.

Si soit le condensateur, soit l'inductance commence dans un état chargé, les deux composants échangeront de l'énergie entre eux, d'avant en arrière, 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 (disons, par une batterie momentanément connectée), le condensateur se chargera très rapidement et l'inductance s'opposera au changement de courant, laissant le condensateur dans l'état chargé et l'inductance dans l'état déchargé.

 

État initial :

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

Le condensateur commence à se décharger, sa tension diminuant. Pendant ce temps, l'inductance commence à accumuler une « charge » sous forme de champ magnétique alors que le courant augmente dans le circuit.

Condensateur en décharge : tension décroissante ; inductance en charge : courant croissant.

L'inductance, continuant à se charger, maintiendra le courant dans le circuit jusqu'à ce que le condensateur soit complètement déchargé, laissant une tension nulle à ses bornes.

Condensateur totalement déchargé : tension nulle ; inductance totalement chargée : courant maximal.

L'inductance maintiendra le flux de courant même sans tension appliquée. En fait, elle générera une tension (comme une batterie) afin de maintenir le courant dans la même direction. Le condensateur, recevant ce courant, commencera à accumuler une charge de polarité opposée à l'initial.

Condensateur en charge : tension croissante (polarité opposée) ; inductance en décharge : courant décroissant.

Lorsque l'inductance est finalement épuisée de sa réserve d'énergie et que les électrons s'arrêtent, le condensateur aura atteint la charge complète (tension) dans la polarité opposée à celle du départ.

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

Maintenant, nous sommes dans une condition très similaire au départ : le condensateur à charge maximale et courant nul dans le circuit. Le condensateur, comme avant, commencera à se décharger à travers l'inductance, causant une augmentation du courant (dans le sens opposé à avant) et une diminution de tension alors qu'il épuise sa propre réserve d'énergie.

Condensateur en décharge : tension décroissante ; inductance en charge : courant croissant.

Finalement, le condensateur se déchargera à zéro volt, laissant l'inductance totalement chargée avec le courant maximal à travers elle.

Condensateur totalement déchargé : tension nulle ; inductance totalement chargée : courant au pic (-).

L'inductance, désirant maintenir le courant dans la même direction, 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 magnitude.

Condensateur en charge : tension croissante ; inductance en décharge : courant décroissant.

Finalement, le condensateur deviendra à nouveau totalement chargé alors que l'inductance épuisera toutes ses réserves d'énergie pour tenter de maintenir le courant. La tension sera à nouveau à son pic positif et le courant à zéro. Cela complète un cycle complet d'échange d'énergie entre le condensateur et l'inductance.

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

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

Globalement, ce comportement est semblable à celui d'un pendule : alors que la masse du pendule oscille d'avant en arrière, il y a une transformation d'énergie de cinétique (mouvement) en potentielle (hauteur), de manière similaire au transfert d'énergie dans le circuit condensateur/inductance d'avant en arrière sous les formes alternatives de courant (mouvement cinétique d'électrons) et de tension (énergie potentielle électrique).

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

Alors que la masse oscille de l'autre côté, elle passe rapidement par un point où la corde est pointée droit vers le bas. À ce point, l'énergie potentielle (hauteur) est nulle et l'énergie cinétique (mouvement) est maximale. Comme le circuit, l'oscillation d'un pendule continuera avec une amplitude amortie de façon constante, le résultat de la friction de l'air (résistance) dissipant l'énergie.

De même que le circuit, les mesures de position et de vitesse du pendule tracent deux ondes sinusoïdales (déphasées de 90 degrés) dans le temps.

Le pendule transfère l'énergie entre cinétique et potentielle en oscillant de bas en haut.

En physique, ce type d'oscillation sinusoïdale naturelle pour un système mécanique est appelé Mouvement Harmonique Simple (souvent abrégé « MHS »). Les mêmes principes sous-jacents régissent à la fois l'oscillation d'un circuit condensateur/inductance 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 d'osciller à la même fréquence alors que les oscillations diminuent en amplitude. Le taux d'oscillation est indépendant de la quantité d'énergie stockée.

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

La capacité d'un tel circuit à stocker l'énergie sous forme de tension et de courant oscillants lui a valu le nom de circuit réservoir (tank circuit). Sa propriété de maintenir une fréquence unique, naturelle, indépendamment de la quantité d'énergie réellement stockée lui donne une importance particulière dans la conception de circuits électriques.

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

Cela est vrai indépendamment de l'objectif prévu du circuit.

Si la fréquence d'alimentation d'un circuit correspond exactement à la fréquence naturelle d'oscillation du circuit définie par la combinaison L et C, le circuit est dit en 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 être conscients des effets de la résonance.

 

RÉVISION :

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

FEUILLES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Feuille de travail sur les fondamentaux de la communication radio
• Feuille de travail sur la résonance