Analyse de Circuit : Théorème de Superposition
Contexte : Pourquoi utiliser le théorème de superposition ?
Lorsqu'un circuit électrique linéaire contient plusieurs sources indépendantes (de tension ou de courant), son analyse directe à l'aide des lois de Kirchhoff peut conduire à des systèmes d'équations complexes. Le théorème de superpositionPrincipe qui permet de calculer la contribution de chaque source indépendante à une tension ou un courant, puis de sommer algébriquement ces contributions pour trouver la valeur totale. offre une approche alternative puissante : il permet de "simplifier" le problème en calculant l'effet de chaque source individuellement, puis en combinant les résultats. C'est une méthode "diviser pour mieux régner" appliquée à l'électricité.
Remarque Pédagogique : Cet exercice vous guidera dans l'application du théorème de superposition pour trouver le courant qui traverse une résistance dans un circuit à deux générateurs de tension. Vous apprendrez à "éteindre" correctement les sources et à sommer les courants partiels en faisant attention à leur sens.
Objectifs Pédagogiques
- Identifier les mailles et les nœuds d'un circuit simple.
- Appliquer le principe de superposition en "éteignant" les sources de tension.
- Calculer des résistances équivalentes (série et parallèle).
- Utiliser la loi d'Ohm et le diviseur de courant pour trouver les courants partiels.
- Sommer algébriquement les courants partiels pour déterminer le courant total.
- Comprendre la linéarité comme condition d'application du théorème.
Données de l'étude
Schéma du circuit électrique
- Générateur de tension \(V_{\text{1}} = 12 \, \text{V}\).
- Générateur de tension \(V_{\text{2}} = 9 \, \text{V}\).
- Résistance \(R_{\text{1}} = 2 \, \Omega\).
- Résistance \(R_{\text{2}} = 3 \, \Omega\).
- Résistance \(R_{\text{3}} = 6 \, \Omega\).
Questions à traiter
- Calculer le courant \(I_{\text{3,1}}\) traversant \(R_{\text{3}}\) dû à la seule source \(V_{\text{1}}\) (en éteignant \(V_{\text{2}}\)).
- Calculer le courant \(I_{\text{3,2}}\) traversant \(R_{\text{3}}\) dû à la seule source \(V_{\text{2}}\) (en éteignant \(V_{\text{1}}\)).
- En appliquant le théorème de superposition, déterminer le courant total \(I_{\text{3}}\).
- Calculer la tension \(U_{\text{3}}\) aux bornes de la résistance \(R_{\text{3}}\).
Correction : Application du Théorème de Superposition
Question 1 : Calcul du courant \(I_{\text{3,1}}\) (effet de V1 seul)
Principe avec image animée (le concept physique)
La première étape consiste à ne considérer que la source \(V_{\text{1}}\). Pour cela, on "éteint" toutes les autres sources. Éteindre un générateur de tension idéal revient à le remplacer par un court-circuit (un fil), car sa tension interne est nulle.
Circuit avec V1 seul (V2 court-circuitée)
Mini-Cours (approfondissement théorique)
Extinction des sources : Un générateur de tension idéalSource de tension théorique qui maintient une tension constante à ses bornes, quelle que soit la charge. Sa résistance interne est nulle. a une résistance interne nulle. Pour l'éteindre (annuler son effet), on le remplace par sa résistance interne, soit un fil (court-circuit). À l'inverse, un générateur de courant idéal a une résistance interne infinie. On l'éteint en le remplaçant par un circuit ouvert.
Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)
Point Clé : Prenez l'habitude de redessiner le circuit simplifié pour chaque étape. Cela permet de visualiser clairement les nouvelles associations de résistances (série/parallèle) qui apparaissent après avoir éteint une source.
Normes (la référence réglementaire)
Bien que le théorème lui-même soit un outil mathématique, les symboles graphiques utilisés (pour les sources, résistances, etc.) sont standardisés au niveau international par la Commission Électrotechnique Internationale dans la norme CEI 60617.
Hypothèses (le cadre du calcul)
On suppose que les composants sont idéaux : les générateurs de tension ont une résistance interne nulle et les fils de connexion ont une résistance négligeable.
Formule(s) (l'outil mathématique)
Formule de la résistance équivalente en parallèle :
Formule de la résistance équivalente en série :
Loi d'Ohm :
Formule du diviseur de courant :
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
- \(V_{\text{1}} = 12 \, \text{V}\)
- \(R_{\text{1}} = 2 \, \Omega\), \(R_{\text{2}} = 3 \, \Omega\), \(R_{\text{3}} = 6 \, \Omega\)
Calcul(s) (l'application numérique)
Calcul de la résistance équivalente de R2 et R3 en parallèle :
Calcul de la résistance totale du circuit vue par V1 :
Calcul du courant total débité par V1 :
Calcul du courant partiel I(3,1) avec le diviseur de courant :
Réflexions (l'interprétation du résultat)
Ce courant de 1A représente la contribution exclusive de la source V1 au courant qui circule dans R3. Il est dirigé de haut en bas, car V1 "pousse" le courant dans ce sens à travers la branche centrale.
Justifications (le pourquoi de cette étape)
Cette première étape est fondamentale car elle décompose un problème complexe (deux sources) en un sous-problème beaucoup plus simple à analyser (une seule source avec des associations de résistances standards).
Points de vigilance (les erreurs à éviter)
Erreur de topologie : L'erreur la plus commune est de mal identifier les associations de résistances après avoir modifié le circuit. En court-circuitant V2, R2 et R3 deviennent bien parallèles, un point qui peut être manqué sans redessiner le schéma.
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)
À vous de jouer !
Question 2 : Calcul du courant \(I_{\text{3,2}}\) (effet de V2 seul)
Principe avec image animée (le concept physique)
On applique maintenant la même logique pour la source \(V_{\text{2}}\). On éteint \(V_{\text{1}}\) en le remplaçant par un court-circuit et on analyse le circuit résultant.
Circuit avec V2 seul (V1 court-circuitée)
Mini-Cours (approfondissement théorique)
Formule du diviseur de courant : Pour deux résistances \(R_{\text{A}}\) et \(R_{\text{B}}\) en parallèle, le courant \(I_{\text{A}}\) dans la branche \(R_{\text{A}}\) est donné par \(I_{\text{A}} = I_{\text{total}} \times \frac{R_{\text{B}}}{R_{\text{A}} + R_{\text{B}}}\). Notez bien qu'on utilise la résistance de l'autre branche (\(R_{\text{B}}\)) au numérateur. C'est logique : plus l'autre chemin est résistant, plus le courant est forcé de passer par la branche A.
Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)
Point Clé : La symétrie du problème est trompeuse. Le circuit n'est pas identique à celui de l'étape 1 car les valeurs de R1 et R2 sont différentes. Appliquez la méthode rigoureusement sans sauter d'étapes.
Normes (la référence réglementaire)
Les conventions de fléchage des courants et tensions (convention générateur et récepteur) sont essentielles pour une application sans erreur des lois des circuits. Ces conventions sont également décrites dans les standards de l'enseignement de l'électrotechnique.
Hypothèses (le cadre du calcul)
On suppose que le circuit reste stable et que les valeurs des résistances ne changent pas avec la température (ce qui serait le cas en réalité, mais est négligé dans les exercices de base).
Formule(s) (l'outil mathématique)
Formule de la résistance équivalente en parallèle :
Formule du diviseur de courant :
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
- \(V_{\text{2}} = 9 \, \text{V}\)
- \(R_{\text{1}} = 2 \, \Omega\), \(R_{\text{2}} = 3 \, \Omega\), \(R_{\text{3}} = 6 \, \Omega\)
Calcul(s) (l'application numérique)
Calcul de la résistance équivalente de R1 et R3 en parallèle :
Calcul de la résistance totale du circuit vue par V2 :
Calcul du courant total débité par V2 :
Calcul du courant partiel I(3,2) avec le diviseur de courant :
Réflexions (l'interprétation du résultat)
Le courant de 0.5A est la contribution de V2. Il est également dirigé vers le bas. On remarque que V1, bien que plus loin, a une plus grande influence sur \(I_{\text{3}}\) que V2 dans cette configuration, car le courant de V2 est davantage limité par R2.
Justifications (le pourquoi de cette étape)
Cette étape complète l'analyse "divisée" du problème. En ayant calculé l'effet de chaque source isolément, nous avons maintenant toutes les informations pour reconstruire la solution complète.
Points de vigilance (les erreurs à éviter)
Erreur sur le diviseur de courant : Une erreur fréquente est d'utiliser la résistance de la même branche au numérateur de la formule du diviseur de courant. Rappelez-vous : on utilise toujours la résistance de la branche "adverse".
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)
À vous de jouer !
Question 3 : Déterminer le courant total \(I_{\text{3}}\)
Principe avec image animée (le concept physique)
Le théorème de superposition stipule que le courant total dans une branche est la somme algébrique des courants partiels créés par chaque source. Il est crucial de respecter le sens des courants.
Superposition des courants
Mini-Cours (approfondissement théorique)
Sommation Algébrique : Ce terme signifie que l'on additionne des nombres en tenant compte de leur signe. En électricité, le signe est déterminé par le sens du courant par rapport à un sens de référence arbitraire. Si un courant partiel va dans le même sens que la référence, il est positif. S'il va en sens inverse, il est négatif.
Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)
Point Clé : Avant de commencer, fléchez toujours le courant que vous cherchez sur le schéma initial. Cette flèche devient votre référence. Pour chaque courant partiel, comparez son sens à cette référence pour déterminer son signe.
Normes (la référence réglementaire)
Le principe de superposition est une conséquence directe de la linéarité des équations de Kirchhoff, qui sont les axiomes fondamentaux de la théorie des circuits électriques en régime stationnaire.
Hypothèses (le cadre du calcul)
On suppose que les calculs des courants partiels \(I_{\text{3,1}}\) et \(I_{\text{3,2}}\) sont corrects et que leur sens a été correctement identifié. Le sens de référence pour \(I_{\text{3}}\) est celui indiqué sur le schéma initial (de A vers B).
Formule(s) (l'outil mathématique)
Formule de la superposition :
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
- Courant partiel 1 : \(I_{\text{3,1}} = +1 \, \text{A}\) (sens de référence)
- Courant partiel 2 : \(I_{\text{3,2}} = +0.5 \, \text{A}\) (sens de référence)
Calcul(s) (l'application numérique)
Somme algébrique des courants partiels :
Réflexions (l'interprétation du résultat)
Le résultat final de 1.5 A confirme que les deux générateurs "coopèrent" pour faire circuler le courant dans la même direction à travers R3. La contribution de V1 est deux fois plus importante que celle de V2.
Justifications (le pourquoi de cette étape)
Cette étape finale synthétise les résultats intermédiaires pour répondre à la question initiale du problème. C'est l'aboutissement de la méthode de superposition.
Points de vigilance (les erreurs à éviter)
Erreur de signe : C'est le piège principal. Si V2 avait été inversé, \(I_{\text{3,2}}\) aurait été dirigé vers le haut, et on aurait dû calculer \(I_{\text{3}} = I_{\text{3,1}} - I_{\text{3,2}} = 1 - 0.5 = 0.5 \, \text{A}\). Une simple erreur d'addition aurait mené à un résultat de 1.5 A, triplant presque la valeur réelle.
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)
À vous de jouer !
Question 4 : Calculer la tension \(U_{\text{3}}\)
Principe avec image animée (le concept physique)
Une fois le courant total \(I_{\text{3}}\) connu, la tension \(U_{\text{3}}\) à ses bornes s'obtient directement par la loi d'Ohm. La polarité de la tension dépend du sens du courant (le potentiel est plus élevé du côté où le courant entre dans la résistance).
Tension aux bornes de R3
Mini-Cours (approfondissement théorique)
Convention récepteur : Pour un dipôle passif comme une résistance, on flèche généralement le courant et la tension en sens opposés. Le courant entre par la borne de potentiel le plus élevé (marquée '+') et sort par la borne de potentiel le plus bas (marquée '-'). Dans ce cas, la loi d'Ohm s'écrit \(U = R \times I\).
Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)
Point Clé : La loi d'Ohm est sans doute la relation la plus fondamentale en électricité. Assurez-vous de la maîtriser parfaitement, car elle est la clé pour passer d'un courant à une tension, et vice-versa.
Normes (la référence réglementaire)
Les unités de tension (Volt), de courant (Ampère) et de résistance (Ohm) sont définies par le Système International d'unités (SI). Un Ohm est défini comme la résistance électrique entre deux points d'un conducteur lorsqu'une différence de potentiel constante d'un Volt, appliquée entre ces deux points, produit dans ce conducteur un courant d'un Ampère.
Hypothèses (le cadre du calcul)
On suppose que le courant \(I_{\text{3}}\) calculé à l'étape précédente est correct et que la valeur de la résistance \(R_{\text{3}}\) est exacte et constante.
Formule(s) (l'outil mathématique)
Formule de la loi d'Ohm :
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
- Courant total : \(I_{\text{3}} = 1.5 \, \text{A}\)
- Résistance : \(R_{\text{3}} = 6 \, \Omega\)
Calcul(s) (l'application numérique)
Calcul de la tension aux bornes de R3 :
Réflexions (l'interprétation du résultat)
La tension de 9V aux bornes de R3 est la différence de potentiel entre le nœud A et le nœud B. Fait intéressant, cette tension est égale à celle du générateur V2. C'est une coïncidence due aux valeurs choisies dans cet exercice.
Justifications (le pourquoi de cette étape)
Le calcul de la tension est souvent une finalité en soi (par exemple, pour s'assurer qu'un composant reçoit la bonne tension) ou une étape nécessaire pour calculer la puissance dissipée.
Points de vigilance (les erreurs à éviter)
Ne pas propager les erreurs : Si vous avez fait une erreur dans le calcul de \(I_{\text{3}}\), cette erreur se répercutera directement sur le calcul de \(U_{\text{3}}\). Vérifiez toujours vos étapes précédentes avant de continuer.
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)
À vous de jouer !
Outil Interactif : Calculateur de Circuit
Modifiez les valeurs des composants pour voir leur influence sur le courant dans R3.
Paramètres du Circuit
Résultats Calculés
Pour Aller Plus Loin : Le calcul de la puissance
Attention : Le théorème de superposition ne s'applique PAS directement au calcul de la puissance. La puissance dissipée par une résistance est \(P = R \times I^{\text{2}}\), une relation non-linéaire (à cause du carré). On ne peut pas calculer les puissances partielles et les sommer. Il faut d'abord calculer le courant total (ou la tension totale) par superposition, et seulement ensuite calculer la puissance finale avec ce courant total : \(P_{\text{3}} = R_{\text{3}} \times I_{\text{3}}^{\text{2}}\).
Le Saviez-Vous ?
Le théorème de superposition est un cas particulier d'un concept mathématique plus large applicable à tous les systèmes linéaires. Que ce soit en mécanique (superposition des forces), en acoustique (superposition des ondes sonores) ou en optique, le principe reste le même : si un système est linéaire, la réponse à une somme d'entrées est la somme des réponses à chaque entrée individuelle.
Foire Aux Questions (FAQ)
Peut-on utiliser la superposition pour un circuit avec un transistor ou une diode ?
Non. Les transistors et les diodes sont des composants non-linéaires. Leur relation tension-courant n'est pas une simple droite (comme la loi d'Ohm pour une résistance). Le théorème de superposition n'est donc pas applicable à des circuits contenant de tels composants.
Quelle est l'alternative à la superposition ?
Pour les circuits linéaires, les méthodes alternatives principales sont la méthode des courants de maille (basée sur la loi des mailles de Kirchhoff) et la méthode des tensions de nœuds (basée sur la loi des nœuds de Kirchhoff). Pour les circuits plus complexes, les théorèmes de Thévenin et de Norton sont aussi extrêmement utiles.
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. Pour appliquer le théorème de superposition, comment "éteint"-on un générateur de courant idéal ?
2. Dans notre exercice, si on inversait la polarité de V2, que deviendrait le courant total I3 ?
- Théorème de Superposition
- Dans un circuit électrique linéaire, le courant ou la tension en un point est la somme algébrique des courants ou tensions produits par chaque source agissant seule.
- Circuit Linéaire
- Un circuit composé uniquement de sources indépendantes et de composants linéaires (résistances, capacités, inductances). La relation entre tension et courant y est proportionnelle.
- Éteindre une source
- Remplacer une source par sa résistance interne pour annuler son effet. Pour une source de tension idéale, c'est un court-circuit (fil). Pour une source de courant idéale, c'est un circuit ouvert.
- Diviseur de Courant
- Une formule qui détermine comment le courant total se répartit entre des branches parallèles. Le courant dans une branche est inversement proportionnel à sa résistance.
- Loi d'Ohm
- La relation fondamentale \(U = R \times I\), qui lie la tension (U), la résistance (R) et le courant (I) pour un composant résistif.
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