Physique 2 : électricité et magnétisme : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 10 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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1Formules et méthodes

Loi de Coulomb et champ électrique

Loi de Coulomb
F = k·|q1q2|/r²
Champ d’une charge ponctuelle
E = k·|q|/r²
Constante
k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C²
Force sur une charge
F = q·E

Résistances en série et en parallèle

Résistances en série
Req = R1 + R2 + …
Résistances en parallèle
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Deux en parallèle
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Loi d’Ohm
V = I·R
Puissance
P = V·I = I²R = V²/R

Méthode

  1. Commencez par l’extrémité du réseau la plus éloignée des bornes.
  2. Associez les résistances en série en les additionnant, et les résistances en parallèle avec 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Redessinez le circuit après chaque étape.
  4. Recommencez jusqu’à ce qu’il ne reste qu’une résistance entre les bornes.

Transitoires RC et RL

Constante de temps
τ = RC | τ = L/R
Réponse
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Condensateur en continu
circuit ouvert ; vC ne peut pas sauter
Bobine en continu
court-circuit ; iL ne peut pas sauter
Régime établi
t ≈ 5τ

Méthode

  1. Trouvez la valeur initiale juste après la commutation : la tension d’un condensateur et le courant d’une bobine ne peuvent pas varier brusquement.
  2. Trouvez la valeur finale longtemps après la commutation : un condensateur se comporte comme un circuit ouvert, une bobine comme un court-circuit.
  3. Trouvez la constante de temps : τ = RC ou τ = L/R, avec la résistance vue par le condensateur ou la bobine.
  4. Utilisez x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Champs magnétiques et induction

Long fil rectiligne
B = μ0I/(2πr)
Centre d’une bobine plate
B = μ0NI/(2R)
Long solénoïde
B = μ0nI, n = N/L
Constante
μ0 = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
Force sur un fil
F = BIL·sin θ
Force sur une charge
F = |q|vB·sin θ
Mouvement circulaire
r = mv/(|q|B), T = 2πm/(|q|B)
Fils parallèles
F/L = μ0I1I2/(2πd)
Flux
Φ = BA·cos θ
Loi de Faraday
ε = −N·ΔΦ/Δt
Tige en mouvement
ε = BLv
Alternateur
E0 = NBAω, Erms = E0/√2
Inductance
ε = L·ΔI/Δt, L = μ0N²A/l, W = ½LI²
Inductance mutuelle
ε2 = M·di1/dt, M = k√(L1L2)
Sélecteur de vitesse et spectromètre
v = E/B, r = √(2mV/|q|)/B

Méthode

  1. Convertissez chaque grandeur en unités SI : cm en m, cm² en m², mT et µT en T.
  2. Choisissez la bonne formule : B = μ₀I/(2πr) pour un fil, μ₀NI/(2R) pour le centre d’une bobine, μ₀nI à l’intérieur d’un solénoïde ; F = BIL·sin θ ou |q|vB·sin θ pour les forces.
  3. Pour l’induction, trouvez la variation de flux ΔΦ = Δ(BA·cos θ) et utilisez ε = N·ΔΦ/Δt, ou ε = BLv pour une tige en mouvement et NBAω pour une bobine tournante.
  4. Trouvez les sens séparément avec les règles de la main droite, et avec la loi de Lenz pour les courants induits.

Impédance et phaseurs en alternatif

Impédances
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Pulsation
ω = 2πf
Module et argument
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Loi d’Ohm en phaseurs
V = I·Z

Méthode

  1. Convertissez la fréquence : ω = 2πf.
  2. Trouvez chaque réactance : XL = ωL et XC = 1/(ωC).
  3. Additionnez les impédances comme des résistances, avec Z = R + jX.
  4. Trouvez le module |Z| = √(R² + X²) et l’argument φ = atan(X/R), puis appliquez la loi d’Ohm avec les phaseurs.

2Exercices

1.Loi de Coulomb et champ électriqueMoyen
−−8 µC−−3 µC++3 µC5 cm + 5 cm

Trois charges ponctuelles sont alignées : −8 µC à gauche, +3 µC à droite à 10 cm, et −3 µC entre elles, à 5 cm de la charge de gauche. Trouvez l’intensité de la force électrique résultante F sur la charge du milieu. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

qL = −8 µCqR = +3 µCqM = −3 µCrL = 5 cmrR = 5 cm
F = N
2.Loi de Coulomb et champ électriqueDifficile
8 cm3 cm+q1​ = +4 µC+q3​ = +5 µC+q2​ = +2 µC

Trois charges ponctuelles positives sont placées aux sommets d’un triangle rectangle : q₃ = 5 µC est au sommet de l’angle droit, q₁ = 4 µC est à 8 cm de q₃ le long d’un côté et q₂ = 2 µC à 3 cm de q₃ le long de l’autre côté. Trouvez l’intensité de la force électrique résultante F sur q₃.

q1 = 4 µCq2 = 2 µCq3 = 5 µCr13 = 8 cmr23 = 3 cm
F = N
3.Résistances en série et en parallèleMoyen
R1​ = 15 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAR4​3 ΩB

Trouvez la résistance équivalente Req vue par la source V1.

V1 = 18 VR1 = 15 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 ΩR4 = 3 Ω
Req = Ω
4.Résistances en série et en parallèleDifficile
R1​ = 12 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAR4​6 ΩBR6​20 Ω

Trouvez la résistance équivalente Req vue par la source V1.

V1 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 10 ΩR4 = 6 ΩR5 = 3 ΩR6 = 20 Ω
Req = Ω
5.Transitoires RC et RLMoyen
+−Vs​9 Vt = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 2,2 kΩC33 µF+−vC​

La source Vₛ charge le condensateur à travers R₁, et R₂ est branchée en parallèle avec C. Le condensateur est déchargé quand l’interrupteur se ferme à t = 0. Trouvez la tension du condensateur vC à t = 30 ms.

Vs = 9 VR1 = 1 kΩR2 = 2,2 kΩC = 33 µFt = 30 ms
vC = V
6.Transitoires RC et RLDifficile
+−Vs​24 Vt = 0R = 6,8 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 6 V

Juste avant la fermeture de l’interrupteur à t = 0, le condensateur est chargé à 6 V avec la polarité indiquée. Combien de temps faut-il à vC pour atteindre 16,8 V ? Trouvez t.

Vs = 24 VR = 6,8 kΩC = 100 µFvC(0) = 6 V
t = ms
7.Champs magnétiques et inductionMoyen
−vBF = ?

Un électron se déplace vers la gauche dans un champ magnétique uniforme dirigé sortant de la page. Cliquez sur la direction de la force magnétique qui s’exerce sur lui.

v: vers la gaucheB: sortant de la page
  1. 1vers le haut de la page
  2. 2vers la droite
  3. 3vers le bas de la page
  4. 4vers la gauche
8.Champs magnétiques et inductionDifficile
l = 20 cmN = 400, ⌀ 2 cm

Un long solénoïde à noyau d’air a 400 spires, une longueur de 20 cm et un diamètre de 2 cm. Trouvez son auto-inductance L.

N = 400l = 20 cm⌀ = 2 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
L = µH
9.Impédance et phaseurs en alternatifMoyen
100 V100 HzR = 40 ΩC = 100 µFI

Une résistance et un condensateur sont branchés en parallèle sur une alimentation de 100 V (efficace), 100 Hz. Trouvez le module de l’impédance |Z|.

V = 100 V (rms)f = 100 HzR = 40 ΩC = 100 µF
|Z| = Ω
10.Impédance et phaseurs en alternatifDifficile
120 V1000 HzR = 25 ΩL = 20 mHC = 4,7 µFI

Un circuit RLC série est alimenté sous 120 V (efficaces), 1000 Hz. Trouvez le courant efficace I.

V = 120 V (rms)f = 1000 HzR = 25 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF
I = A

3Solutions

1.Loi de Coulomb et champ électrique

Réponse: F = 118,7 N

Coulomb’s law: two point charges attract or repel with F = k·|q₁·q₂|/r², with k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C². The field of a point charge is E = k·|q|/r², pointing away from a positive charge and towards a negative one. Forces and fields from several charges add as vectors.

Force due à chaque charge

La droite est positive.

FL = +k·8·3 × 10⁻¹²/0,05² = 86,3 N
FR = +k·3·3 × 10⁻¹²/0,05² = 32,36 N

Force résultante

F = 86,3 + (32,36) = 118,7 N → |F| = 118,7 N

Réponse

F = 118,7 N

La force résultante est dirigée vers la droite.

2.Loi de Coulomb et champ électrique

Réponse: F = 103,8 N

Loi de Coulomb : deux charges ponctuelles s’attirent ou se repoussent avec F = k·|q₁·q₂|/r², où k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C². Le champ d’une charge ponctuelle vaut E = k·|q|/r² ; il est dirigé en s’éloignant d’une charge positive et vers une charge négative. Les forces et les champs de plusieurs charges s’additionnent comme des vecteurs.

Chaque force sur q₃

F1 = k·4·5 × 10⁻¹²/0,08² = 28,09 N
F2 = k·2·5 × 10⁻¹²/0,03² = 99,89 N

Somme vectorielle

F = √(28,09² + 99,89²) = 103,8 N

Réponse

F = 103,8 N
3.Résistances en série et en parallèle

Réponse: Req = 21,96 Ω

Résistances en série et en parallèle : en série, le même courant traverse chaque résistance et R = R₁ + R₂ + …. En parallèle, chaque résistance a la même tension et 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Un réseau en échelle se réduit paire par paire jusqu’à une seule résistance équivalente.

R1​ = 15 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAR4​3 ΩB

Regrouper les résistances depuis l’extrémité

Commencez par l’extrémité la plus éloignée de la source et remontez vers elle. Des résistances parcourues par le même courant sont en série ; des résistances entre les deux mêmes nœuds sont en parallèle.

R3 + R4 = 10 + 3 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 15·13/(15+13) = 6,964 Ω
Req = R1 + 6,964 = 15 + 6,964 = 21,96 Ω

Réponse

Req = 21,96 Ω
4.Résistances en série et en parallèle

Réponse: Req = 18,62 Ω

Résistances en série et en parallèle : en série, le même courant traverse chaque résistance et R = R₁ + R₂ + …. En parallèle, chaque résistance a la même tension et 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Un réseau en échelle se réduit paire par paire jusqu’à une seule résistance équivalente.

R1​ = 12 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAR4​6 ΩBR6​20 Ω

Regrouper les résistances depuis l’extrémité

Commencez par l’extrémité la plus éloignée de la source et remontez vers elle. Des résistances parcourues par le même courant sont en série ; des résistances entre les deux mêmes nœuds sont en parallèle.

R5 + R6 = 3 + 20 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 4,759 Ω
R3 + 4,759 = 14,76 Ω
R2 ∥ 14,76 = 6,619 Ω
Req = R1 + 6,619 = 12 + 6,619 = 18,62 Ω

Réponse

Req = 18,62 Ω
5.Transitoires RC et RL

Réponse: vC = 4,538 V

Régimes transitoires du premier ordre : dans un circuit avec un condensateur ou une bobine, chaque tension et chaque courant passe exponentiellement de sa valeur initiale à sa valeur finale : x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, avec τ = RC ou τ = L/R. Après environ 5τ, le circuit est stabilisé.

Équivalent de Thévenin vu par le condensateur

Court-circuitez la source pour trouver Rth ; ouvrez le condensateur pour trouver la tension vers laquelle il tendra.

Rth = R1 ∥ R2 = 1·2,2/(1 + 2,2) = 0,6875 kΩ
vC(∞) = 9·2,2/(1 + 2,2) = 6,188 V

Constante de temps

τ = Rth·C = 0,6875·33 = 22,69 ms

Courbe de charge

vC(t) = 6,188·(1 − e−30/22,69) = 4,538 V

Réponse

vC = 4,538 V
6.Transitoires RC et RL

Réponse: t = 623,1 ms

Régimes transitoires du premier ordre : dans un circuit avec un condensateur ou une bobine, chaque tension et chaque courant passe exponentiellement de sa valeur initiale à sa valeur finale : x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, avec τ = RC ou τ = L/R. Après environ 5τ, le circuit est stabilisé.

Valeur initiale, valeur finale, constante de temps

La tension d’un condensateur ne peut pas sauter : elle part de sa valeur stockée et tend vers la tension de la source.

vC(0) = 6 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 100 µF = 680 ms
vC(t) = 24 + (6 − 24)·e−t/τ

Isoler le temps

16,8 = 24 + (−18)·e−t/τ → e−t/τ = (16,8 − 24)/(6 − 24) = 0,4
t = τ·ln((6 − 24)/(16,8 − 24)) = 680·ln(2,5) = 623,1 ms

Réponse

t = 623,1 ms
7.Champs magnétiques et induction

Réponse: vers le bas de la page

Forces magnétiques : un fil rectiligne parcouru par I dans un champ B subit F = BIL·sin θ, et une charge en mouvement F = |q|vB·sin θ, où θ est l’angle entre le courant (ou la vitesse) et B. La force est perpendiculaire aux deux : pointez les doigts de la main droite le long de I ou v, enroulez-les vers B, et le pouce donne F pour une charge positive ; inversez le sens pour une charge négative. Comme F est perpendiculaire à v, une charge qui traverse un champ uniforme décrit un cercle : |q|vB = mv²/r donne r = mv/(|q|B) et la période T = 2πm/(|q|B), qui ne dépend pas de la vitesse. Deux fils parallèles s’attirent quand les courants sont de même sens : F/L = μ₀I₁I₂/(2πd).

Règle de la main droite

Pointez les doigts le long du courant ou de la vitesse et enroulez-les vers B ; le pouce donne la force sur une charge positive.

v: vers la gauche, B: sortant de la page

Charge négative

La force sur un électron est opposée à celle sur une charge positive.

Sens de la force

vers le bas de la page

Réponse

F: vers le bas de la page
8.Champs magnétiques et induction

Réponse: L = 315,8 µH

Induction électromagnétique : le flux à travers une boucle est Φ = BA·cos θ, avec θ entre B et la normale à la boucle. Loi de Faraday : une variation de flux induit une f.é.m. = −N·dΦ/dt dans une bobine de N spires, et la loi de Lenz dit que le courant induit circule de façon que son propre champ s’oppose à la variation. Une tige qui se déplace à travers un champ donne f.é.m. = BLv. Une bobine tournant à ω donne e = NBAω·sin ωt, de valeur crête NBAω. Auto-inductance : f.é.m. = −L·di/dt, avec L = μ₀N²A/l pour un long solénoïde, et l’énergie stockée est W = ½LI². Deux bobines couplées : f.é.m.₂ = −M·di₁/dt avec M = k√(L₁L₂).

Section

A = π·(0,01)² = 0,0003142 m²

Auto-inductance

L = μ₀N²A/l = 4π × 10⁻⁷·400²·0,0003142/0,2 = 0,0003158 H = 315,8 µH

Réponse

L = 315,8 µH
9.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: |Z| = 14,79 Ω

Circuits alternatifs et phaseurs : résistances, bobines et condensateurs ont pour impédances R, jωL et 1/(jωC), avec ω = 2πf. En série, les impédances s’additionnent comme des résistances, mais en nombres complexes. Courant et tension efficaces suivent la loi d’Ohm avec |Z|.

Réactance

XC = 1/(ωC) = 1/(2π·100·100·10⁻⁶) = 15,92 Ω

Courants de branche

Les deux branches sont branchées directement sur l’alimentation, donc chacune est soumise à toute la tension V.

IR = V/R = 100/40 = 2,5 A
IX = V/XC = 100/15,92 = 6,283 A

Courant total

Le courant dans la résistance est en phase avec V et le courant réactif est déphasé de 90°, donc ils se combinent comme les côtés d’un triangle rectangle.

I = √(IR² + IX²) = √(2,5² + 6,283²) = 6,762 A

Impédance

|Z| = V/I = 100/6,762 = 14,79 Ω

Réponse

|Z| = 14,79 Ω
10.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: I = 1,261 A

Circuits alternatifs et phaseurs : résistances, bobines et condensateurs ont pour impédances R, jωL et 1/(jωC), avec ω = 2πf. En série, les impédances s’additionnent comme des résistances, mais en nombres complexes. Courant et tension efficaces suivent la loi d’Ohm avec |Z|.

Réactances

ω = 2πf = 2π·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,02 = 125,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·4,7·10⁻⁶) = 33,86 Ω

Impédance

En série, les impédances s’additionnent comme des nombres complexes : Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (91,8)²) = 95,14 Ω

Courant

Le même courant traverse tous les éléments d’un circuit série.

I = V/|Z| = 120/95,14 = 1,261 A

Réponse

I = 1,261 A

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