Barre Défilante Circuits Électriques

Analyse d’un Transformateur à Noyau de Fer

Exercice Avancé : Circuits Couplés Magnétiquement

Titre Outil

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Analyse d'un Transformateur à Noyau de Fer en Régime Transitoire

Contexte : Introduction aux circuits couplés magnétiquement.

L'étude des circuits électriques inclut souvent des éléments qui interagissent non seulement par connexion filaire, mais aussi par l'intermédiaire de champs magnétiques. C'est le cas des transformateurs, des moteurs électriques et des systèmes de recharge sans fil. Dans cet exercice, nous allons analyser le comportement transitoire d'un système composé de deux bobines couplées par une Inductance MutuellePhénomène par lequel une variation de courant dans une bobine induit une tension dans une bobine voisine..

Remarque Pédagogique : Cet exercice permet de relier les équations différentielles des circuits (Loi des mailles) aux concepts physiques de l'électromagnétisme (Flux, Loi de Lenz).


Objectifs Pédagogiques

  • Comprendre la notion de coefficient de couplage.
  • Établir les équations différentielles d'un circuit couplé.
  • Calculer l'énergie magnétique stockée dans le système.

Données de l'étude

On considère un circuit composé de deux bobines enroulées sur un même noyau ferromagnétique. À l'instant \(t=0\), on ferme l'interrupteur alimentant le circuit primaire.

Paramètres du Circuit
Grandeur Symbole Valeur Unité
Inductance propre primaire \(L_1\) 4 \(\text{H}\) (Henry)
Inductance propre secondaire \(L_2\) 9 \(\text{H}\) (Henry)
Coefficient de couplage \(k\) 0.8 Sans unité
Résistance primaire \(R_1\) 10 \(\Omega\) (Ohm)
Source de tension continue \(V_{src}\) 50 \(\text{V}\) (Volt)
Schéma Électrique du Système Couplé
L₁ + - Vsrc R₁ t=0 L₂ R₂ i₁ i₂ M
Questions à traiter
  1. Calculer l'inductance mutuelle \(M\) du système.
  2. Écrire les équations différentielles régissant le circuit (Loi des mailles).
  3. Déterminer les conditions initiales à \(t=0^+\).
  4. Calculer la valeur finale du courant \(i_1\) en régime permanent.
  5. Calculer l'énergie magnétique totale stockée en régime permanent.

Rappels Théoriques : Induction et Couplage

Dans un circuit couplé, le flux magnétique total traversant une bobine dépend non seulement de son propre courant, mais aussi du courant circulant dans la bobine voisine.

Loi de Faraday-Lenz
La tension induite aux bornes d'une inductance est proportionnelle à la variation du flux magnétique total \(\phi\) qui la traverse.

Tension Induite Totale

\[ v(t) = \frac{d\phi}{dt} = L \frac{di}{dt} \pm M \frac{di_{\text{voisin}}}{dt} \]

Le signe dépend de la Convention des PointsSi les courants entrent tous deux par les points, les termes M sont positifs..

Coefficient de Couplage (k)
Il mesure l'efficacité du couplage magnétique entre deux bobines. Il est toujours compris entre 0 (isolement total) et 1 (couplage parfait).

Relation Mutuelle-Inductances

\[ M = k \sqrt{L_1 L_2} \]

Où :

  • \(M\) est l'inductance mutuelle [\(\text{H}\)]
  • \(L_1, L_2\) sont les auto-inductances [\(\text{H}\)]

Énergie Magnétique
L'énergie stockée dans un système de deux bobines couplées est la somme des énergies propres et de l'énergie d'interaction.

Énergie Totale W

\[ W = \frac{1}{2}L_1 i_1^2 + \frac{1}{2}L_2 i_2^2 \pm M i_1 i_2 \]

Correction : Analyse d'un Transformateur à Noyau de Fer

Question 1 : Calcul de l'Inductance Mutuelle M

Principe

L'inductance mutuelle, notée \(M\), est une mesure physique qui décrit l'interaction magnétique entre deux bobines. Elle quantifie la tension induite dans une bobine secondaire due à une variation de courant d'un ampère par seconde dans la bobine primaire. Ce phénomène est à la base du fonctionnement des transformateurs et des générateurs. Mathématiquement, \(M\) ne peut jamais dépasser la moyenne géométrique des deux inductances propres (\(L_1\) et \(L_2\)).

Mini-Cours

Flux de Fuite vs Flux Mutuel : Le coefficient \(k\) (compris entre 0 et 1) représente la proportion du flux magnétique généré par la bobine 1 qui traverse effectivement la bobine 2. Si \(k=1\), le couplage est parfait (transformateur idéal). Si \(k < 1\), une partie du flux "fuit" dans l'air sans traverser la seconde bobine, ce qui diminue l'efficacité du transfert.

Remarque Pédagogique

Dans la pratique, pour obtenir un coefficient \(k\) proche de 1 (comme dans cet exercice où \(k=0.8\)), on utilise un noyau en matériau ferromagnétique (fer doux) qui "canalise" les lignes de champ magnétique, un peu comme un tuyau canalise de l'eau.

Normes

L'unité SI pour l'inductance mutuelle est le Henry (H), identique à celle de l'auto-inductance. Cette définition est standardisée par la norme IEC 60050.

Formule(s)

Relation fondamentale du couplage

\[ M = k \sqrt{L_1 L_2} \]
Hypothèses

Pour ce calcul, nous supposons que :

  • Le milieu magnétique est linéaire (pas de saturation du noyau de fer).
  • Le coefficient \(k\) est constant et ne dépend pas du courant.
  • Les géométries des bobines sont fixes.
Donnée(s)
ParamètreValeurDescription
\(L_1\)\(4 \text{ H}\)Inductance de la bobine primaire
\(L_2\)\(9 \text{ H}\)Inductance de la bobine secondaire
\(k\)0.8Coefficient de couplage (80% du flux est capté)
Astuces

Astuce de calcul mental : Observez les valeurs sous la racine. \(4\) et \(9\) sont des carrés parfaits (\(2^2\) et \(3^2\)). Le calcul \(\sqrt{4 \times 9}\) revient à calculer \(2 \times 3\), ce qui simplifie grandement l'opération sans calculatrice.

Schéma : Visualisation du Flux Mutuel
L₁ (Source) L₂ (Cible) Flux Φ (80% capté)
Calcul(s)
Calcul Principal

Détail de l'application numérique

On part de la formule générale du coefficient de couplage. Nous allons remplacer chaque symbole par sa valeur donnée :

\[ M = k \sqrt{L_1 \cdot L_2} \]

On substitue les valeurs numériques : \(k = 0.8\), \(L_1 = 4\), et \(L_2 = 9\).

\[ \begin{aligned} M &= 0.8 \times \sqrt{4 \times 9} \\ &= 0.8 \times \sqrt{36} \\ &= 0.8 \times 6 \\ &= 4.8 \text{ H} \end{aligned} \]

Nous obtenons une inductance mutuelle de 4.8 Henrys. Cela signifie qu'une variation de 1 A/s dans le primaire induira une tension de 4.8 Volts dans le secondaire.

Schéma : Résultat
M = 4.8 Henrys
Réflexions

Le résultat \(M=4.8\text{H}\) est cohérent car il est inférieur à la moyenne géométrique (\(6\text{H}\)), respectant la condition \(k \le 1\). Une valeur supérieure à 6H aurait indiqué une erreur de calcul ou des données impossibles.

Points de vigilance

Erreur fréquente : Ne confondez pas la formule de \(M\) avec celle de l'inductance équivalente en série (\(L_{\text{eq}} = L_1 + L_2 + 2M\)). Ici, on calcule le paramètre de couplage intrinsèque, pas une inductance équivalente.

Points à Retenir

L'essentiel à mémoriser pour l'examen :

  • \(M\) est toujours symétrique : l'effet de 1 sur 2 est égal à l'effet de 2 sur 1.
  • La valeur maximale possible de \(M\) est \(\sqrt{L_1 L_2}\).
Le saviez-vous ?

Le transformateur idéal est une abstraction théorique où \(k=1\) et où les inductances \(L_1\) et \(L_2\) tendent vers l'infini, tout en gardant un rapport fini. Cela permet de transférer l'énergie sans en stocker.

FAQ
Peut-on avoir une inductance mutuelle négative ?

Physiquement, \(M\) est une grandeur positive liée à l'énergie. Cependant, dans les équations de maille, le terme \(M \frac{di}{dt}\) peut être précédé d'un signe moins si les bobines sont enroulées en sens opposés (convention des points).

M = 4.8 H

A vous de jouer
Si le coefficient de couplage \(k\) chute à 0.5 (éloignement des bobines), quelle sera la nouvelle valeur de \(M\) ?

📝 Mémo
M = k * Moyenne Géométrique.


Question 2 : Équations Différentielles (Loi des Mailles)

Principe

Pour analyser le comportement dynamique du circuit, nous devons écrire les équations qui relient les tensions et les courants à chaque instant. La méthode standard est la Loi des Mailles de Kirchhoff (KVL) : la somme algébrique des tensions dans une maille fermée est nulle. Dans un circuit couplé, la tension aux bornes d'une bobine a deux composantes : une due à son propre courant (auto-induction \(L \frac{di}{dt}\)) et une due au courant de l'autre bobine (induction mutuelle \(M \frac{di_{\text{autre}}}{dt}\)).

Mini-Cours : La Convention des Points (Dot Convention)

C'est la règle d'or pour déterminer le signe du terme mutuel \(M\).
Règle :

  • Si les courants entrent tous les deux par les points (ou sortent tous les deux), les flux s'ajoutent. Le terme \(M\) a le même signe que le terme \(L\).
  • Si un courant entre par le point et l'autre sort, les flux s'opposent. Le terme \(M\) a le signe opposé au terme \(L\).
Dans notre schéma, \(i_1\) entre par le point et \(i_2\) (tel que fléché conventionnellement vers la charge) entre aussi par le point de sa bobine. Les termes sont donc additifs.

Remarque Pédagogique

Écrire correctement ces équations est l'étape la plus critique. Une erreur de signe ici se propagera dans tous les calculs ultérieurs (régime transitoire, énergie, etc.). Prenez le temps de vérifier la position des points.

Normes

La notation standard pour une dérivée temporelle en physique est \(\frac{di}{dt}\) ou parfois \(\dot{i}\). Les tensions sont généralement fléchées en convention récepteur (opposées au courant) pour les composants passifs.

Formule(s)

Loi de tension pour inductances couplées

\[ v_L(t) = L \frac{di}{dt} \pm M \frac{di_{\text{voisin}}}{dt} \]
Hypothèses

Pour établir ces équations, on suppose :

  • Les composants \(R\), \(L\), et \(M\) sont constants dans le temps (système invariant).
  • Les fils de connexion ont une résistance négligeable.
  • La source de tension est idéale.
Donnée(s)
VariableDescription
\(i_1(t)\)Courant instantané dans la maille primaire
\(i_2(t)\)Courant instantané dans la maille secondaire
\(v_{L1}, v_{L2}\)Tensions aux bornes des bobines
Astuces

Imaginez que le terme de couplage \(M \frac{di}{dt}\) est une petite source de tension commandée (générateur) placée en série avec la bobine. Cela aide à visualiser l'équation de maille.

Schéma : Mailles de Kirchhoff
Maille 1 Maille 2
Calcul(s)
Étape 1 : Équation de la Maille Primaire

On applique la Loi des Mailles : la somme des tensions est nulle. \(V_{\text{source}} - V_{R1} - V_{L1} = 0\).

La tension aux bornes de la bobine primaire est \(v_{L1} = L_1 \frac{di_1}{dt} + M \frac{di_2}{dt}\) (termes additifs car points concordants).

\[ V_{\text{src}} = R_1 i_1 + L_1 \frac{di_1}{dt} + M \frac{di_2}{dt} \]
Étape 2 : Équation de la Maille Secondaire

Pour la maille secondaire, il n'y a pas de source. La loi des mailles donne \(0 - V_{R2} - V_{L2} = 0\), donc \(V_{L2} + V_{R2} = 0\).

La tension aux bornes de la bobine secondaire est \(v_{L2} = L_2 \frac{di_2}{dt} + M \frac{di_1}{dt}\).

\[ 0 = R_2 i_2 + L_2 \frac{di_2}{dt} + M \frac{di_1}{dt} \]
Schéma : Système d'Équations Résultant

Système Différentiel Couplé

(1) V = R₁·i₁ + L₁·i₁' + M·i₂'
(2) 0 = R₂·i₂ + L₂·i₂' + M·i₁'

Réflexions

Ce système montre clairement l'interdépendance : une variation de \(i_1\) dans la première équation crée une tension dans la seconde (via \(M i_1'\)), ce qui génère un courant \(i_2\). Ce courant \(i_2\) varie à son tour, ce qui renvoie une tension vers la première équation (via \(M i_2'\)), modifiant \(i_1\). C'est le principe de rétroaction (feedback) inhérent aux transformateurs.

Points de vigilance

Piège classique : Si le circuit secondaire est ouvert, alors \(i_2 = 0\) et \(\frac{di_2}{dt} = 0\). L'équation 1 se simplifie, MAIS l'équation 2 indique toujours une tension présente aux bornes du secondaire ouvert : \(V_{\text{sec}} = M \frac{di_1}{dt}\). Ne dites pas "courant nul = tension nulle" !

Points à Retenir

L'essentiel à mémoriser :

  • La loi des mailles s'applique normalement (\(\sum V = 0\)).
  • Pour chaque bobine couplée, il faut ajouter un terme \(\pm M \frac{di_{\text{autre}}}{dt}\).
  • Le signe dépend de la convention des points.
Le saviez-vous ?

Mathématiquement, ces équations sont formellement identiques à celles d'un système mécanique composé de deux masses reliées par des ressorts et des amortisseurs. L'inductance est l'inertie (masse), la résistance est le frottement.

FAQ
Pourquoi le terme M est-il ici positif ?

Car nous avons supposé (selon le schéma standard) que les courants entrent tous les deux par les bornes marquées d'un point. Si l'un entrait et l'autre sortait, le signe serait négatif.

Système de 2 éq. diff. linéaires

A vous de jouer
Si on inversait le sens de bobinage du secondaire (inversion du point), quel signe changerait dans les équations ?

📝 Mémo
Points mêmes côtés = Termes M positifs (additifs).


Question 3 : Conditions Initiales à \(t=0^+\)

Principe

En physique, l'état énergétique d'un système ne peut pas changer instantanément (sauf si une puissance infinie est appliquée, ce qui est impossible). Pour une bobine, l'énergie est stockée sous forme magnétique (\(W = \frac{1}{2}Li^2\)). Pour que l'énergie reste continue, le courant \(i\) doit être une fonction continue du temps. Il ne peut pas "sauter" d'une valeur à une autre instantanément.

Mini-Cours

Principe de Continuité : \(i_L(0^+) = i_L(0^-)\).
À l'instant précis d'une variation brutale (comme fermer un interrupteur), une inductance se comporte comme un circuit ouvert (résistance infinie) car elle s'oppose totalement à la variation instantanée du courant.

Remarque Pédagogique

C'est l'inverse du condensateur ! Pour un condensateur, c'est la tension qui ne peut pas varier instantanément (\(v_C(0^+) = v_C(0^-)\)), alors que le courant peut faire des sauts.

Normes

On utilise la notation \(t=0^-\) pour l'instant juste avant la manœuvre, et \(t=0^+\) pour l'instant juste après.

Formule(s)

Loi de continuité du courant inductif

\[ i_L(0^+) = i_L(0^-) \]
Hypothèses

Le circuit est supposé être au repos depuis un temps long avant \(t=0\).

  • Aucun courant ne circule initialement.
  • Aucune énergie magnétique résiduelle n'est stockée dans le noyau.
Donnée(s)
ÉtatValeur
Temps \(t < 0\)Interrupteur Ouvert
Courants initiaux0 \(\text{ A}\)
Astuces

Dans les problèmes d'examen, sauf mention explicite ("le circuit était alimenté depuis longtemps..."), les conditions initiales sont presque toujours nulles.

Schéma : Circuit Ouvert (t < 0)
OFF
Calcul(s)
Analyse à t = 0-

L'interrupteur est ouvert. Le circuit primaire est coupé de la source, et le secondaire n'est couplé à rien d'actif. Par conséquent :

\[ \begin{aligned} i_1(0^-) &= 0 \text{ A} \\ i_2(0^-) &= 0 \text{ A} \end{aligned} \]
Passage à t = 0+

On applique le principe de continuité aux deux inductances. La valeur juste après la fermeture est strictement égale à la valeur juste avant :

\[ \begin{aligned} i_1(0^+) &= i_1(0^-) = 0 \text{ A} \\ i_2(0^+) &= i_2(0^-) = 0 \text{ A} \end{aligned} \]
Schéma : L'Inductance "Bouchon" (t = 0+)
STOP R = Infini
Réflexions

Bien que les courants soient nuls à \(0^+\), leurs dérivées \(\frac{di}{dt}\) ne le sont pas ! Au contraire, elles sont maximales à cet instant. C'est cette variation rapide qui permet à la tension de la source de s'équilibrer avec la tension induite aux bornes de \(L_1\).

Points de vigilance

Attention : La tension, elle, peut faire des sauts discontinus. La tension aux bornes de la bobine primaire passe instantanément de 0V à \(V_{\text{src}}\) à \(t=0^+\).

Points à Retenir

L'essentiel à mémoriser :

  • \(i(0^+) = i(0^-)\).
  • Si repos initial, \(i(0^+) = 0\).
Le saviez-vous ?

C'est exactement comme l'inertie mécanique : une voiture à l'arrêt (vitesse nulle) ne peut pas passer à 100 km/h en 0 seconde, même si on applique une force énorme (moteur à fond).

FAQ
Et si la source était sinusoïdale (AC) ?

Le principe de continuité \(i(0^+) = 0\) resterait valable. Le courant partirait de 0 et suivrait ensuite une réponse transitoire avant de devenir sinusoïdal.

i1(0+) = 0 A, i2(0+) = 0 A

A vous de jouer
Quelle grandeur électrique PEUT changer instantanément à t=0 ?

📝 Mémo
Inductance = Inertie du courant. Pas de saut possible.


Question 4 : Courant en Régime Permanent (Steady State)

Principe

Le régime permanent est l'état atteint par le circuit après un temps très long (\(t \to \infty\)), lorsque tous les phénomènes transitoires se sont estompés. Puisque la source de tension est continue (constante), toutes les grandeurs électriques du circuit (courants, tensions) finissent par devenir constantes.

Mini-Cours

Comportement en DC (Courant Continu) :
Si le courant est constant (\(i = \text{cte}\)), alors sa dérivée est nulle (\(\frac{di}{dt} = 0\)).
La tension aux bornes d'une inductance est \(v_L = L \frac{di}{dt}\). Si la dérivée est nulle, la tension est nulle.
Conclusion : En régime permanent continu, une inductance idéale se comporte comme un fil conducteur parfait (court-circuit).

Remarque Pédagogique

C'est souvent l'étape de calcul la plus simple. Ne cherchez pas d'équations différentielles ici ! Utilisez simplement la loi d'Ohm.

Normes

On note souvent les valeurs en régime permanent avec des majuscules (\(I_1, I_2\)) ou avec l'indice infini (\(i_1(\infty)\)).

Formule(s)

Condition de régime permanent DC

\[ \frac{d}{dt} = 0 \quad \Rightarrow \quad V_{\text{bobine}} = 0 \]
Hypothèses

On suppose que :

  • La source \(V_{\text{src}}\) est parfaitement constante.
  • Les résistances ne varient pas (pas d'échauffement excessif).
Donnée(s)
ComposantValeurComportement DC
Source \(V_{\text{src}}\)\(50 \text{ V}\)Générateur constant
Résistance \(R_1\)10 \(\Omega\)Résistance inchangée
Inductances \(L_1, L_2\)-Fils (0 \(\Omega\))
Astuces

Redessinez mentalement le circuit en remplaçant toutes les bobines par des traits simples (fils). Le circuit devient purement résistif.

Schéma : Modèle DC Équivalent
V R₁ Court-Circuit
Calcul(s)
Simplification des Équations

On reprend l'équation de la maille primaire établie à la question 2 : \(V_{\text{src}} = R_1 i_1 + L_1 \frac{di_1}{dt} + M \frac{di_2}{dt}\).

En régime permanent, \(\frac{di}{dt} = 0\), donc tous les termes dérivés disparaissent :

\[ \begin{aligned} V_{\text{src}} &= R_1 I_1 + L_1(0) + M(0) \\ \Rightarrow V_{\text{src}} &= R_1 I_1 \end{aligned} \]
Calcul du Courant Primaire

Il ne reste plus qu'à isoler \(I_1\) et à appliquer la loi d'Ohm :

\[ \begin{aligned} I_{1(\infty)} &= \frac{V_{\text{src}}}{R_1} \\ &= \frac{50}{10} \\ &= 5 \text{ A} \end{aligned} \]
Calcul du Courant Secondaire

Pour la maille secondaire, l'équation était : \(0 = R_2 i_2 + L_2 \frac{di_2}{dt} + M \frac{di_1}{dt}\).

En régime permanent, les dérivées s'annulent :

\[ \begin{aligned} 0 &= R_2 I_2 + 0 + 0 \\ \Rightarrow I_{2(\infty)} &= 0 \text{ A} \end{aligned} \]
Schéma : Flux de Courant Final
I₁ = 5A I₂ = 0A
Réflexions

Le résultat \(I_2 = 0\) est fondamental. Un transformateur ne peut pas transférer de l'énergie en continu (DC). L'induction électromagnétique n'existe que s'il y a variation du flux magnétique. Une fois le flux établi et constant, le transfert d'énergie s'arrête.

Points de vigilance

Ne confondez pas ce régime (DC permanent) avec le régime sinusoïdal permanent (AC) où les courants varient tout le temps et où le transformateur fonctionne !

Points à Retenir

L'essentiel à mémoriser :

  • Inductance en DC = Court-circuit (fil).
  • Transformateur en DC = Pas de couplage (courant secondaire nul).
Le saviez-vous ?

C'est la raison principale pour laquelle Nikola Tesla et George Westinghouse ont gagné la "Guerre des Courants" contre Edison. Seul le courant alternatif (AC) permet d'utiliser des transformateurs pour élever la tension et transporter l'électricité sur de longues distances sans pertes excessives.

FAQ
Pourquoi I2 est nul alors que M existe ?

M existe toujours (c'est une propriété physique), mais le terme de "force" est \(M \frac{di}{dt}\). Si \(i\) ne change pas, la force est nulle, peu importe la valeur de M.

I1(final) = 5 A

A vous de jouer
Si on doublait la tension source à 100V, quelle serait la valeur finale de I1 ?

📝 Mémo
DC = Inductances invisibles = Loi d'Ohm pure.


Question 5 : Énergie Magnétique Stockée

Principe

Contrairement à une résistance qui dissipe l'énergie en chaleur, une inductance stocke l'énergie sous forme de champ magnétique. Dans un système couplé, l'énergie totale n'est pas simplement la somme des énergies individuelles ; il faut prendre en compte l'énergie d'interaction mutuelle entre les deux champs magnétiques.

Mini-Cours

Bilan Énergétique : L'énergie totale \(W\) est la somme de trois termes :

  • L'énergie propre de la bobine 1 : \(W_1 = \frac{1}{2}L_1 i_1^2\)
  • L'énergie propre de la bobine 2 : \(W_2 = \frac{1}{2}L_2 i_2^2\)
  • L'énergie mutuelle : \(W_{\text{mut}} = \pm M i_1 i_2\)
Le signe du terme mutuel dépend, encore une fois, de la convention des points.

Remarque Pédagogique

Cette énergie stockée est "réelle". Si vous essayez d'ouvrir l'interrupteur du circuit primaire, le champ magnétique va s'effondrer brutalement, restituant ces 50 Joules en une fraction de seconde, créant un arc électrique puissant et dangereux.

Normes

L'énergie s'exprime en Joules (J). 1 Joule = 1 Watt pendant 1 seconde.

Formule(s)

Énergie Magnétique Totale

\[ W = \frac{1}{2}L_1 i_1^2 + \frac{1}{2}L_2 i_2^2 + M i_1 i_2 \]

On utilise le signe \(+\) car nous avons défini le sens des courants et la convention des points de manière additive.

Hypothèses

On cherche l'énergie stockée en régime permanent (état final).

  • Le noyau n'est pas saturé (relation linéaire entre B et H).
  • Il n'y a pas d'autres pertes magnétiques.
Donnée(s)
ParamètreValeur (calculée ou donnée)
\(L_1\)\(4 \text{ H}\)
\(L_2\)\(9 \text{ H}\)
\(M\)\(4.8 \text{ H}\)
\(I_1\) (permanent)\(5 \text{ A}\)
\(I_2\) (permanent)\(0 \text{ A}\)
Astuces

Regardez bien vos valeurs de courants avant de calculer ! Ici, \(I_2 = 0\). Cela va annuler deux des trois termes de l'équation, rendant le calcul trivial.

Schéma : Localisation de l'Énergie
ÉNERGIE
Calcul(s)
Substitution

On remplace les variables par les valeurs du régime permanent calculées précédemment (\(I_1 = 5\text{A}\), \(I_2 = 0\text{A}\)) :

\[ W = \underbrace{\frac{1}{2}(4)(5)^2}_{\text{Terme L1}} + \underbrace{\frac{1}{2}(9)(0)^2}_{\text{Terme L2}} + \underbrace{(4.8)(5)(0)}_{\text{Terme M}} \]
Simplification

Puisque \(I_2 = 0\), tous les termes contenant \(I_2\) (termes liés au secondaire et à la mutuelle) s'annulent et valent zéro.

\[ W = \frac{1}{2}(4)(5)^2 + 0 + 0 \]
Calcul Final

On effectue le calcul restant :

\[ \begin{aligned} W &= 2 \times (5)^2 \\ W &= 2 \times 25 \\ W &= 50 \text{ Joules} \end{aligned} \]
Schéma : Bilan Énergétique
100% (50 Joules)

Tout vient du primaire

Réflexions

Dans ce cas précis (régime DC), l'inductance mutuelle \(M\) ne joue aucun rôle dans le stockage d'énergie final car le secondaire n'est pas traversé par un courant. Si une charge avait permis un courant \(I_2\) non nul (ce qui est impossible en DC passif sans source secondaire), le terme \(M\) aurait augmenté ou diminué l'énergie totale.

Points de vigilance

N'oubliez pas le facteur \(\frac{1}{2}\) pour les termes en \(L\), mais attention : le terme mutuel est \(M i_1 i_2\), il n'y a pas de facteur 1/2 devant le \(M\) dans cette forme d'écriture standard (parfois notée différemment, vérifiez votre cours).

Points à Retenir

L'essentiel à mémoriser :

  • L'énergie dépend du carré du courant (\(i^2\)).
  • Si un courant est nul, les termes d'interaction associés disparaissent.
Le saviez-vous ?

50 Joules, c'est l'énergie cinétique d'une boule de pétanque (700g) lancée à environ 43 km/h. C'est une quantité d'énergie non négligeable pour un petit composant électronique !

FAQ
L'énergie peut-elle être négative ?

Non, l'énergie totale stockée dans un système passif est toujours positive. Même si le terme \(M\) est négatif, il est mathématiquement prouvé que \(W_{\text{total}} \ge 0\) tant que \(M \le \sqrt{L_1 L_2}\).

W = 50 J

A vous de jouer
Si on doublait le courant \(I_1\) (10A au lieu de 5A), par combien l'énergie serait-elle multipliée ?

📝 Mémo
W = 1/2 L i². C'est tout ce qui reste.


Bilan des Flux Magnétiques

Représentation vectorielle des couplages.

Primaire (N₁) Secondaire (N₂) Flux Mutuel Φ M représente la capacité du flux primaire à embrasser les spires secondaires.

📝 Grand Mémo : Ce qu'il faut retenir absolument

Voici la synthèse sur les circuits couplés :

  • 🔑
    Inductance Mutuelle M : Elle dépend de \(k\), \(L_1\) et \(L_2\) via \(M = k\sqrt{L_1 L_2}\).
  • 📐
    Régime Permanent DC : Les inductances sont des fils. Seules les résistances limitent le courant. Pas d'induction en DC constant.
  • ⚠️
    Tension Induite : Elle n'existe que s'il y a variation de courant (\(di/dt \neq 0\)).
  • 💡
    Continuité : Le courant dans une bobine ne saute jamais instantanément.
"Pas de variation, pas d'induction, pas de couplage !"

🎛️ Simulateur : Influence du Couplage

Analysez comment la géométrie (via le coefficient \(k\)) et l'inductance primaire \(L_1\) influencent l'Inductance Mutuelle \(M\) et l'énergie stockée.

Paramètres
Mutuelle \(M\) (avec \(L_2=9\)H) : -
Énergie (si \(i_1=5\)A) : -

📝 Quiz final : Testez vos connaissances

1. Quelle est l'unité de l'Inductance Mutuelle M ?

2. Si le courant est constant dans le primaire, quelle est la tension induite au secondaire ?

📚 Glossaire

Inductance Mutuelle
Propriété de deux circuits électriques par laquelle un changement de courant dans l'un induit une tension dans l'autre.
Coefficient k
Coefficient de couplage magnétique, sans unité, compris entre 0 et 1, représentant la fraction du flux magnétique qui lie les deux bobines.
Henry (H)
Unité SI de l'inductance (propre et mutuelle).
Flux Magnétique
Mesure de la quantité de magnétisme traversant une surface donnée (Unité : Weber).
Régime Transitoire
Période d'adaptation du circuit entre deux états stables (ex: juste après avoir fermé un interrupteur).
Introduction aux Circuits Couplés Magnétiquement
Le Saviez-vous ?

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