Influence des Composants sur la Fréquence

Exercice : Fréquence de Résonance d'un Circuit RLC

Influence des Composants sur la Fréquence de Résonance d'un Circuit RLC Série

Contexte : La fréquence de résonanceLa fréquence à laquelle un circuit oscillant (comme un RLC) répond avec une amplitude maximale. À ce point, l'impédance du circuit est minimale..

Les circuits RLC (Résistance, Inductance, Capacité) sont fondamentaux en électronique, notamment pour leur capacité à filtrer ou sélectionner des signaux de fréquences spécifiques. Le phénomène de résonance se produit lorsque les effets de l'inductance et de la capacité s'annulent, permettant au courant de circuler avec une amplitude maximale. Comprendre comment chaque composant influence cette fréquence de résonance est crucial pour la conception de filtres, d'oscillateurs et de systèmes de communication comme les tuners radio.

Remarque Pédagogique : Cet exercice vous apprendra à calculer la fréquence de résonance et à analyser quantitativement comment la modification des valeurs de l'inductance (L) et de la capacité (C) affecte le comportement fréquentiel d'un circuit, un concept clé en filtrage de signaux.


Objectifs Pédagogiques

  • Calculer la pulsation et la fréquence de résonance d'un circuit RLC série.
  • Analyser l'influence de la variation de l'inductance (L) et de la capacité (C) sur cette fréquence.
  • Comprendre et calculer le concept de facteur de qualité (Q) et de bande passante.

Données de l'étude

On considère un circuit RLC série simple, alimenté par un générateur de tension sinusoïdale de fréquence variable. L'objectif est d'étudier sa réponse en fréquence.

Fiche Technique
Caractéristique Description
Type de circuit Circuit RLC Série
Composants Résistance (R), Inductance (L), Capacité (C)
Objectif Déterminer la fréquence de résonance et ses caractéristiques
Schéma du Circuit RLC Série
G (Vg, f) R L C
Paramètre Symbole Valeur Unité
Résistance R 10 Ω (Ohm)
Inductance L 5 mH (millihenry)
Capacité C 200 nF (nanofarad)

Questions à traiter

  1. Calculer la pulsation de résonance \(\omega_0\) du circuit.
  2. En déduire la fréquence de résonance \(f_0\).
  3. Calculer le facteur de qualité \(Q\) du circuit.
  4. Déterminer la bande passante \(\Delta\omega\) du circuit à -3 dB.
  5. Si la capacité \(C\) est doublée (passant à 400 nF), quelle devient la nouvelle fréquence de résonance \(f'_0\) ? Commentez le résultat.

Les bases sur les Circuits RLC

Pour résoudre cet exercice, il est essentiel de maîtriser les formules qui décrivent le phénomène de résonance dans un circuit RLC série.

1. Fréquence de Résonance (Formule de Thomson)
La résonance se produit lorsque la partie imaginaire de l'impédance du circuit est nulle, c'est-à-dire lorsque la réactance de l'inductance (\(X_L = L\omega\)) est égale à la réactance de la capacité (\(X_C = 1/(C\omega)\)). La pulsation (ou fréquence angulaire) de résonance \(\omega_0\) est donnée par : \[ \omega_0 = \frac{1}{\sqrt{LC}} \] La fréquence de résonance \(f_0\) (en Hertz) est liée à la pulsation par : \[ f_0 = \frac{\omega_0}{2\pi} \]

2. Facteur de Qualité et Bande Passante
Le facteur de qualité \(Q\) est une mesure sans dimension qui décrit à quel point un circuit est "sélectif" ou "amorti". Un \(Q\) élevé signifie une résonance très "piquée" et une faible perte d'énergie. Il se calcule par : \[ Q = \frac{1}{R} \sqrt{\frac{L}{C}} \] La bande passante \(\Delta\omega\) (ou \(\Delta f\)) est l'intervalle de fréquences pour lequel la puissance du circuit est supérieure à la moitié de sa puissance maximale. Elle est inversement proportionnelle au facteur de qualité : \[ \Delta\omega = \frac{\omega_0}{Q} \quad \text{ou} \quad \Delta f = \frac{f_0}{Q} \]


Correction : Influence des Composants sur la Fréquence de Résonance d'un Circuit RLC Série

Question 1 : Calculer la pulsation de résonance \(\omega_0\)

Principe

La pulsation de résonance est la vitesse angulaire (en radians par seconde) à laquelle les effets de stockage d'énergie de l'inductance et de la capacité s'équilibrent et s'annulent. À ce point précis, le circuit se comporte comme une simple résistance, permettant au courant de circuler avec une amplitude maximale. C'est le cœur du phénomène de résonance.

Mini-Cours

La résonance dans un circuit RLC série est définie par la condition \(X_L = X_C\), où \(X_L = L\omega\) est la réactance inductive et \(X_C = 1/(C\omega)\) est la réactance capacitive. En résolvant \(L\omega_0 = 1/(C\omega_0)\), on isole \(\omega_0\) pour obtenir la formule de Thomson. Physiquement, cela correspond au point où l'énergie oscille parfaitement entre le champ magnétique de la bobine et le champ électrique du condensateur, sans déphasage entre la tension et le courant.

Remarque Pédagogique

La première étape cruciale est de toujours s'assurer que toutes les valeurs sont exprimées dans leurs unités de base du Système International (Henrys, Farads, Ohms) avant d'appliquer la formule. Une erreur de préfixe (milli-, nano-) est la source d'erreur la plus fréquente.

Normes

Ce calcul fondamental ne fait pas directement appel à une norme spécifique (comme IEEE ou CEI). Cependant, les principes de la résonance sont la base sur laquelle reposent de nombreuses normes de conception pour les filtres RF, les oscillateurs et les équipements de télécommunication, qui spécifient des performances en termes de fréquence centrale, de bande passante et de sélectivité.

Formule(s)

Formule de la pulsation de résonance

\[ \omega_0 = \frac{1}{\sqrt{LC}} \]
Hypothèses

Pour ce calcul, nous posons les hypothèses suivantes, typiques d'un exercice théorique :

  • Les composants sont idéaux : la résistance est purement résistive, l'inductance purement inductive, et la capacité purement capacitive.
  • La résistance interne des fils de connexion et du générateur est négligeable.
  • Les valeurs des composants ne varient pas avec la température ou la fréquence.
Donnée(s)

Nous extrayons les valeurs de L et C de l'énoncé.

ParamètreSymboleValeurUnité
InductanceL5mH
CapacitéC200nF
Astuces

Pour vérifier rapidement l'ordre de grandeur, vous pouvez simplifier les puissances de 10. Ici, \(L \times C = (5 \times 10^{-3}) \times (200 \times 10^{-9}) = 1000 \times 10^{-12} = 10^{-9}\). La racine carrée est environ \(3.16 \times 10^{-5}\), et l'inverse est environ \(1/3.16 \times 10^5\), soit environ 31 600. Cela confirme que notre résultat est plausible.

Schéma (Avant les calculs)

Le schéma de référence est celui du circuit RLC série, montrant les trois composants connectés à la source de tension alternative.

Schéma du Circuit RLC Série
G (Vg, f)RLC
Calcul(s)

Conversion de l'inductance L

\[ \begin{aligned} L &= 5 \; \text{mH} \\ &= 5 \times 10^{-3} \; \text{H} \end{aligned} \]

Conversion de la capacité C

\[ \begin{aligned} C &= 200 \; \text{nF} \\ &= 200 \times 10^{-9} \; \text{F} \\ &= 2 \times 10^{-7} \; \text{F} \end{aligned} \]

Calcul de la pulsation \(\omega_0\)

\[ \begin{aligned} \omega_0 &= \frac{1}{\sqrt{(5 \times 10^{-3}) \times (2 \times 10^{-7})}} \\ &= \frac{1}{\sqrt{10 \times 10^{-10}}} \\ &= \frac{1}{\sqrt{10^{-9}}} \\ &= \frac{1}{3.162277 \times 10^{-5}} \\ &\Rightarrow \omega_0 \approx 31622.8 \; \text{rad/s} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)

Le résultat est une valeur numérique. On peut la représenter comme un point sur l'axe des pulsations (fréquences angulaires).

Position de \(\omega_0\) sur l'axe des pulsations
ωω₀ ≈ 31.6k0
Réflexions

Une pulsation de 31 623 radians par seconde signifie que le cycle d'oscillation de l'énergie entre la bobine et le condensateur se répète à cette vitesse angulaire. C'est une valeur très élevée, typique des circuits électroniques fonctionnant dans la gamme des kilohertz.

Points de vigilance

Attention aux unités : Assurez-vous que L est en Henrys (H) et C en Farads (F). Ne mélangez jamais les préfixes (milli, micro, nano) dans la formule sans les convertir.

Points à retenir
  • La pulsation de résonance \(\omega_0\) ne dépend que de L et C.
  • La formule clé est \(\omega_0 = 1/\sqrt{LC}\).
  • La conversion des unités est une étape non négociable avant tout calcul.
Le saviez-vous ?

La formule de la résonance a été établie par le physicien britannique William Thomson (plus tard Lord Kelvin) en 1853. Elle a été fondamentale pour le développement de la radio, car elle a permis à des pionniers comme Marconi de concevoir des circuits capables de "s'accorder" sur une fréquence spécifique pour émettre et recevoir des signaux.

FAQ

Résultat Final
La pulsation de résonance du circuit est d'environ 31 623 rad/s.
A vous de jouer

Calculez la nouvelle pulsation de résonance si L = 20 mH et C = 50 nF.

Question 2 : En déduire la fréquence de résonance \(f_0\)

Principe

La fréquence \(f_0\), exprimée en Hertz (Hz), représente le nombre de cycles complets d'oscillation par seconde. Elle est plus intuitive pour de nombreuses applications (audio, radio) que la pulsation. La conversion est une simple relation de proportionnalité via le facteur \(2\pi\).

Mini-Cours

La relation \(f = \omega / (2\pi)\) est universelle en physique ondulatoire. Un tour complet correspond à \(2\pi\) radians. Ainsi, pour convertir une vitesse angulaire (radians par seconde) en une fréquence (tours ou cycles par seconde), on divise par \(2\pi\). Cette fréquence \(f_0\) est celle que vous lisez sur un analyseur de spectre ou le cadran d'une radio.

Remarque Pédagogique

Ne confondez pas pulsation et fréquence. Les calculs théoriques utilisent souvent \(\omega\) pour simplifier les équations (pas de \(2\pi\) à traîner partout), mais les résultats finaux et les spécifications techniques sont presque toujours donnés en \(f\) (Hz).

Normes

Les normes internationales, comme celles de l'Union Internationale des Télécommunications (UIT), allouent les bandes de fréquences (radio, TV, mobile) en Hertz (kHz, MHz, GHz), et non en rad/s. La conversion est donc essentielle pour se conformer aux réglementations.

Formule(s)

Formule de conversion pulsation-fréquence

\[ f_0 = \frac{\omega_0}{2\pi} \]
Hypothèses

Aucune nouvelle hypothèse n'est nécessaire. Nous nous basons sur le résultat du calcul précédent.

Donnée(s)

Nous utilisons la valeur de \(\omega_0\) calculée à la question 1.

ParamètreSymboleValeurUnité
Pulsation de résonance\(\omega_0\)31622.8rad/s
Astuces

Pour une approximation rapide, on peut utiliser \(2\pi \approx 6.28\). Diviser par 6.28 est proche de multiplier par 0.16. Donc, \(31623 \times 0.16 \approx 5060\). Le résultat exact est 5032.9 Hz, ce qui montre que l'approximation est très correcte pour un premier ordre de grandeur.

Schéma (Avant les calculs)

Ce schéma illustre la relation entre la pulsation (un tour complet sur le cercle trigonométrique, soit \(2\pi\) radians) et la fréquence (un cycle par seconde).

Relation Pulsation et Fréquence
ω1 Tour = 2π rad1 Cycle = 1 Hz
Calcul(s)

Calcul de la fréquence \(f_0\)

\[ \begin{aligned} f_0 &= \frac{31622.8}{2\pi} \\ &\Rightarrow f_0 \approx 5032.9 \; \text{Hz} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)

Ce résultat peut être visualisé sur un graphique de la réponse en fréquence (gain ou impédance en fonction de la fréquence). \(f_0\) serait le point sur l'axe des abscisses où la courbe atteint son extremum (minimum d'impédance pour un circuit série).

Position de \(f_0\) sur la courbe de réponse
Zff₀
Réflexions

Une fréquence de 5.03 kHz se situe dans le registre aigu du spectre audible humain. Un circuit avec ces caractéristiques pourrait être utilisé dans un égaliseur audio pour accentuer ou atténuer cette bande de fréquences spécifique.

Points de vigilance

Assurez-vous que votre calculatrice est bien en mode "Radian" si vous utilisez des fonctions trigonométriques, bien que ce ne soit pas le cas ici. L'erreur la plus simple est d'oublier de diviser par \(2\pi\) ou de diviser par 360, ce qui est incorrect.

Points à retenir
  • La fréquence est la pulsation divisée par \(2\pi\).
  • \(f_0\) s'exprime en Hertz (Hz).
  • \(f_0\) est la valeur la plus couramment utilisée dans les fiches techniques.
Le saviez-vous ?

Le Hertz a été nommé en l'honneur du physicien allemand Heinrich Hertz, qui a été le premier à prouver de manière concluante l'existence des ondes électromagnétiques prédites par la théorie de James Clerk Maxwell. Ses expériences ont jeté les bases de la radio, de la télévision et du radar.

FAQ

Résultat Final
La fréquence de résonance du circuit est d'environ 5.03 kHz.
A vous de jouer

À partir de la pulsation calculée dans le "À vous de jouer" précédent (\(\omega_0 = 31623\) rad/s pour L=20mH, C=50nF), quelle est la fréquence \(f_0\) correspondante ?

Question 3 : Calculer le facteur de qualité \(Q\)

Principe

Le facteur de qualité \(Q\) est une mesure de la "pureté" ou de la "sélectivité" de la résonance. Un Q élevé signifie que la résonance est très pointue (le circuit ne réagit fortement que sur une plage de fréquences très étroite) et que l'amortissement est faible. Inversement, un Q faible indique une résonance large et un circuit très amorti.

Mini-Cours

Le facteur de qualité peut être interprété comme le rapport entre l'énergie stockée dans les éléments réactifs (L et C) et l'énergie dissipée par la résistance à chaque cycle d'oscillation. La formule \(Q = (1/R)\sqrt{L/C}\) montre que \(Q\) augmente si la résistance \(R\) diminue (moins de pertes) ou si le rapport \(L/C\) augmente (plus d'énergie stockée par rapport aux pertes).

Remarque Pédagogique

Le facteur de qualité est un excellent indicateur de la performance d'un filtre. Pour un filtre passe-bande, un Q élevé est souvent souhaitable pour bien isoler une fréquence sans affecter les fréquences voisines. Pour un système audio, un Q trop élevé peut cependant créer une coloration sonore indésirable.

Normes

Il n'y a pas de norme pour la valeur de Q elle-même, mais les normes de performance des équipements (par exemple, les récepteurs radio) spécifient souvent une sélectivité minimale, ce qui se traduit par une exigence implicite sur le facteur de qualité des filtres utilisés.

Formule(s)

Formules du facteur de qualité

\[ Q = \frac{1}{R} \sqrt{\frac{L}{C}} = \frac{L\omega_0}{R} = \frac{1}{RC\omega_0} \]

Toutes ces formes sont équivalentes à la résonance.

Hypothèses

Nous continuons avec les mêmes hypothèses de composants idéaux.

Donnée(s)
ParamètreSymboleValeur (SI)Unité
RésistanceR10Ω
InductanceL\(5 \times 10^{-3}\)H
CapacitéC\(2 \times 10^{-7}\)F
Astuces

Le rapport L/C est souvent un grand nombre (25000 dans notre cas). Sa racine carrée sera donc plus maniable (environ 158). Multiplier par \(1/R\) donne rapidement le résultat. Cela permet de vérifier que vous n'avez pas inversé L et C dans la formule.

Schéma (Avant les calculs)

Le schéma du circuit reste la référence visuelle pour identifier les composants R, L et C.

Schéma du Circuit RLC Série
G (Vg, f)RLC
Calcul(s)

Calcul du facteur de qualité Q

\[ \begin{aligned} Q &= \frac{1}{10} \sqrt{\frac{5 \times 10^{-3}}{2 \times 10^{-7}}} \\ &= 0.1 \times \sqrt{25000} \\ &= 0.1 \times 158.113 \\ &\Rightarrow Q \approx 15.81 \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)

Un Q élevé se traduit par une courbe de résonance très "piquée" et étroite, tandis qu'un Q faible donne une courbe large et aplatie, comme illustré ci-dessous.

Influence de Q sur la Réponse en Fréquence
Q élevéQ faibleGainff₀
Réflexions

Un facteur de qualité de 15.81 est significatif. Il indique que l'énergie oscille environ 16 fois entre la bobine et le condensateur avant d'être dissipée par la résistance. C'est un circuit qui "sonne" bien, avec peu d'amortissement, ce qui le rend très efficace pour sélectionner une fréquence précise.

Points de vigilance

Le facteur de qualité Q est un nombre sans dimension. Si votre calcul aboutit à une unité, c'est qu'il y a une erreur, probablement dans la conversion des unités initiales ou dans la formule elle-même.

Points à retenir
  • Q mesure la sélectivité de la résonance.
  • Q est inversement proportionnel à R (plus de résistance = plus d'amortissement = Q plus faible).
  • Q est sans dimension.
Le saviez-vous ?

Le concept de "facteur Q" a été développé par l'ingénieur américain Edwin H. Armstrong, l'inventeur de la radio FM. Il avait besoin d'un moyen simple de quantifier la performance de ses circuits de syntonisation. Aujourd'hui, le concept est utilisé bien au-delà de l'électronique, par exemple en mécanique pour décrire les résonances des structures ou en optique pour les cavités laser.

FAQ

Résultat Final
Le facteur de qualité du circuit est d'environ 15.81.
A vous de jouer

Quel serait le facteur de qualité si la résistance était de 50 Ω au lieu de 10 Ω ?

Question 4 : Déterminer la bande passante \(\Delta\omega\)

Principe

La bande passante est la "largeur" de la résonance. C'est l'intervalle de fréquences pour lequel le circuit est considéré comme "actif". Elle est définie comme la différence entre les deux fréquences de coupure (haute et basse) où la puissance du signal est réduite de moitié (-3 dB) par rapport à la puissance à la résonance.

Mini-Cours

La bande passante est directement liée au facteur de qualité et à la fréquence de résonance. Un circuit très sélectif (Q élevé) aura une bande passante très étroite, car il ne "laisse passer" qu'une petite plage de fréquences. La relation \(\Delta\omega = \omega_0 / Q\) montre cette proportionnalité inverse. En termes de circuit, la bande passante est aussi égale à \(R/L\).

Remarque Pédagogique

La bande passante est un concept fondamental en traitement du signal. Elle définit la capacité d'un canal de communication ou la sélectivité d'un filtre. En radio, une bande passante étroite permet de séparer des stations très proches sans interférence.

Normes

Les normes de télécommunication (comme celles pour la radio FM ou le Wi-Fi) définissent des "canaux" avec une fréquence centrale et une bande passante allouée. Les appareils doivent être conçus pour émettre et recevoir dans cette bande passante sans déborder sur les canaux adjacents.

Formule(s)

Formules de la bande passante

\[ \Delta\omega = \frac{\omega_0}{Q} \quad \text{ou} \quad \Delta f = \frac{f_0}{Q} \]
Hypothèses

Aucune nouvelle hypothèse n'est nécessaire.

Donnée(s)

Nous utilisons les résultats des questions précédentes.

ParamètreSymboleValeurUnité
Pulsation de résonance\(\omega_0\)31622.8rad/s
Facteur de qualitéQ15.81-
Astuces

Une autre façon de calculer la bande passante est d'utiliser la formule \(\Delta\omega = R/L\). Avec R=10 Ω et L=5 mH, on obtient \(\Delta\omega = 10 / (5 \times 10^{-3}) = 2000\) rad/s. C'est un excellent moyen de vérifier votre calcul de Q et \(\omega_0\).

Schéma (Avant les calculs)

Le schéma suivant montre la courbe de réponse du circuit. Nous allons calculer la largeur de cette courbe au point où la puissance est divisée par deux.

Courbe de Réponse avant calcul de la bande passante
Gainff₀
Calcul(s)

Calcul de la bande passante \(\Delta\omega\)

\[ \begin{aligned} \Delta\omega &= \frac{31622.8}{15.81} \\ &\Rightarrow \Delta\omega \approx 2000.2 \; \text{rad/s} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)

La bande passante est visualisée sur la courbe de réponse comme la largeur du pic de résonance à une hauteur spécifique (généralement à 70.7% de l'amplitude maximale, ce qui correspond à -3 dB en puissance).

Visualisation de la Bande Passante
Gainff₀ΔfGain max / √2
Réflexions

Une bande passante de 2000 rad/s (soit \(2000 / (2\pi) \approx 318\) Hz) est relativement étroite par rapport à la fréquence centrale de 5033 Hz. Cela confirme la haute sélectivité du circuit que nous avions déduite du facteur Q.

Points de vigilance

Ne mélangez pas la bande passante en rad/s (\(\Delta\omega\)) et en Hz (\(\Delta f\)). Assurez-vous d'utiliser la bonne version de la formule en fonction de l'unité souhaitée pour le résultat.

Points à retenir
  • La bande passante mesure la largeur de la résonance.
  • Elle est inversement proportionnelle au facteur de qualité Q.
  • Elle peut être calculée simplement avec \(\Delta\omega = R/L\) pour un circuit série.
Le saviez-vous ?

Le concept de "décibel" (dB), utilisé pour définir la bande passante, a été développé par les ingénieurs des Bell Telephone Laboratories. Il s'agit d'une échelle logarithmique qui correspond mieux à la perception humaine du son et qui permet de manipuler des rapports de puissance très grands ou très petits de manière simple.

FAQ

Résultat Final
La bande passante du circuit est d'environ 2000 rad/s (ou 318 Hz).
A vous de jouer

En utilisant la formule \(\Delta\omega = R/L\), quelle serait la bande passante si la résistance était de 50 Ω ?

Question 5 : Nouvelle fréquence \(f'_0\) si C est doublée

Principe

Cette question a pour but de démontrer l'impact direct de la modification d'un composant sur la fréquence de résonance. En changeant la valeur de la capacité, nous allons voir comment le point d'équilibre entre les effets inductifs et capacitifs se déplace.

Mini-Cours

La formule \(f_0 = 1 / (2\pi\sqrt{LC})\) montre que la fréquence est inversement proportionnelle à la racine carrée de la capacité. Si C augmente, le terme \(\sqrt{LC}\) augmente, et donc \(f_0\) diminue. Physiquement, un condensateur plus grand met plus de temps à se charger et à se décharger, ce qui ralentit le cycle d'oscillation de l'énergie et abaisse la fréquence.

Remarque Pédagogique

C'est le principe de base du réglage d'un tuner radio. En tournant le bouton, vous modifiez la valeur d'un condensateur variable, ce qui change la fréquence de résonance du circuit pour la faire correspondre à la fréquence de la station que vous voulez écouter.

Normes

Non applicable pour ce calcul direct.

Formule(s)

Formule de la nouvelle fréquence de résonance

\[ f'_0 = \frac{1}{2\pi \sqrt{LC'}} \]
Hypothèses

L'inductance L et la résistance R restent inchangées.

Donnée(s)

Nous utilisons les valeurs initiales, en doublant la capacité C.

ParamètreSymboleNouvelle ValeurUnité
InductanceL5mH
Nouvelle CapacitéC'400nF
Astuces

Puisque \(f_0\) est proportionnel à \(1/\sqrt{C}\), si on multiplie C par 2, la nouvelle fréquence sera l'ancienne fréquence divisée par \(\sqrt{2}\). On peut donc calculer \(f'_0 = f_0 / \sqrt{2} = 5032.9 / 1.414 \approx 3559\) Hz, ce qui est plus rapide que de refaire tout le calcul.

Schéma (Avant les calculs)

Le schéma du circuit reste le même, mais la valeur du condensateur est modifiée, ce qui va décaler la courbe de réponse.

Circuit avec la nouvelle valeur de capacité C'
G (Vg, f)RLC' = 2C
Calcul(s)

Calcul de la nouvelle capacité C'

\[ \begin{aligned} C' &= 2 \times 200 \; \text{nF} \\ &= 400 \; \text{nF} \\ &= 4 \times 10^{-7} \; \text{F} \end{aligned} \]

Calcul de la nouvelle fréquence \(f'_0\)

\[ \begin{aligned} f'_0 &= \frac{1}{2\pi \sqrt{(5 \times 10^{-3}) \times (4 \times 10^{-7})}} \\ &= \frac{1}{2\pi \sqrt{20 \times 10^{-10}}} \\ &= \frac{1}{2\pi \sqrt{2 \times 10^{-9}}} \\ &= \frac{1}{2\pi \times 4.4721 \times 10^{-5}} \\ &\Rightarrow f'_0 \approx 3558.8 \; \text{Hz} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)

Le pic de la courbe de résonance se déplace vers la gauche (vers les basses fréquences) sur l'axe des fréquences lorsque la capacité augmente.

Déplacement de la Fréquence de Résonance
CC' = 2CGainff₀f'₀
Réflexions

Doubler la capacité a réduit la fréquence de résonance d'environ 30% (un facteur \(1/\sqrt{2}\)). Cela montre que la relation n'est pas linéaire. Pour diviser la fréquence par deux, il faudrait quadrupler la capacité. Cette sensibilité non-linéaire est une caractéristique importante à prendre en compte lors de la conception de circuits accordables.

Points de vigilance

N'oubliez pas que la relation est avec la racine carrée. Une erreur commune est de penser que doubler C divise f par 2. C'est faux, cela divise f par \(\sqrt{2}\).

Points à retenir
  • Augmenter L ou C diminue la fréquence de résonance.
  • Diminuer L ou C augmente la fréquence de résonance.
  • La relation est inversement proportionnelle à la racine carrée du produit LC.
Le saviez-vous ?

Les premiers postes de radio à galène utilisaient un cristal de galène comme détecteur et un simple circuit LC comme tuner. L'utilisateur déplaçait une fine aiguille (le "cat's whisker") sur le cristal pour trouver un point de contact semi-conducteur, et réglait un condensateur variable pour sélectionner la station. C'était de l'électronique à son état le plus pur !

FAQ

Résultat Final
Avec une capacité doublée, la nouvelle fréquence de résonance est d'environ 3.56 kHz.
A vous de jouer

Si on double l'inductance L (à 10 mH) au lieu de la capacité, quelle serait la nouvelle fréquence de résonance ?


Outil Interactif : Simulateur de Résonance

Utilisez les curseurs pour modifier les valeurs de l'inductance (L) et de la capacité (C). Observez en temps réel comment la fréquence de résonance, le facteur de qualité et la courbe d'impédance du circuit sont affectés. La résistance est fixée à 10 Ω.

Paramètres d'Entrée
5 mH
200 nF
Résultats Clés
Fréquence de Résonance (\(f_0\)) -
Facteur de Qualité (Q) -

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. Quel est l'effet principal de l'augmentation de l'inductance (L) dans un circuit RLC série ?

2. Un facteur de qualité (Q) élevé dans un circuit résonant indique...

3. Dans un circuit RLC série, à la fréquence de résonance, l'impédance totale est...

4. Si on divise par 4 la valeur de la capacité (C), comment la fréquence de résonance \(f_0\) évolue-t-elle ?

5. Quelle est l'unité de la pulsation (ou fréquence angulaire) ?


Fréquence de Résonance (\(f_0\))
Fréquence unique à laquelle un circuit RLC présente son impédance minimale (en série) ou maximale (en parallèle), entraînant une réponse maximale en courant ou en tension.
Pulsation (\(\omega_0\))
Également appelée fréquence angulaire, elle est liée à la fréquence par la relation \(\omega = 2\pi f\). Elle est exprimée en radians par seconde (rad/s).
Facteur de Qualité (Q)
Grandeur sans dimension qui caractérise la sélectivité d'un circuit résonant. Un Q élevé correspond à une résonance "piquée" et une bande passante étroite.
Bande Passante (\(\Delta f\) ou \(\Delta\omega\))
Intervalle de fréquences autour de la fréquence de résonance pour lequel la puissance transmise par le circuit est au moins la moitié de la puissance maximale.
Impédance (Z)
Opposition totale d'un circuit au passage d'un courant alternatif. C'est l'équivalent de la résistance en courant continu, mais elle inclut les effets de l'inductance et de la capacité (réactance).
Exercice : Fréquence de Résonance d'un Circuit RLC

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Analyse de l’état d’une diode
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Vérification de la loi des mailles
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Circuit de Redressement Simple à Diode
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Amplificateur à Transistor BJT 2N2222
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Calcul de charge de condensateurs
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Calcul du Dopage dans un Semi-conducteur
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Exercice : Dopage et Résistivité d'un Semi-conducteur Calcul du Dopage et de la Résistivité d'un Semi-conducteur Contexte : Le dopageProcessus consistant à introduire intentionnellement des impuretés dans un semi-conducteur intrinsèque pour en modifier les propriétés...

Calcul de la tension de sortie
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Calcul du Gain en dB d’un Filtre Électronique
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Conception d’un Amplificateur Audio
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Calcul de la Valeur d’une Résistance Variable
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Calcul de la Résistance Interne d’une Source
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Loi des Mailles dans un Circuit Composé
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Analyse de circuit par la loi des nœuds
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Étude des Temps d’État dans les Signaux
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Réglage de l’Intensité Lumineuse des LEDs
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Analyse d’un circuit RLC série
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Calcul du gain et des résistances pour un AOP
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