Calcul de la Réactance Inductive
Contexte : Analyse d'un circuit en courant alternatif.
Vous travaillez sur la conception d'un système de filtrage audio. Vous devez comprendre comment une BobineComposant constitué d'un enroulement de fil conducteur (aussi appelé Inductance). (ou inductance) se comporte lorsqu'elle est soumise à un signal alternatif. Contrairement à une résistance pure, l'opposition au courant d'une bobine varie en fonction de la fréquence du signal. Cette "résistance variable" s'appelle la Réactance InductiveOpposition d'une inductance au passage d'un courant alternatif (notée XL)..
Remarque Pédagogique : Cet exercice vous permettra de manipuler la formule fondamentale de la réactance inductive \(X_L\) et de comprendre l'influence de la fréquence sur celle-ci.
Objectifs Pédagogiques
- Définir la réactance inductive.
- Calculer la pulsation \(\omega\) à partir de la fréquence.
- Calculer la réactance \(X_L\) d'une bobine idéale.
- Comprendre la relation proportionnelle entre fréquence et réactance.
Données de l'étude
On considère un circuit simple composé d'une source de tension alternative et d'une bobine idéale (résistance interne négligeable).
Caractéristiques du Circuit
| Grandeur | Valeur |
|---|---|
| InductanceCapacité d'une bobine à s'opposer aux variations de courant (en Henry). (\(L\)) | 50 mH (milli-Henry) |
| Fréquence du signal (\(f\)) | 60 Hz |
| Tension efficace (\(U\)) | 230 V (optionnel pour le courant) |
Questions à traiter
- Convertir l'inductance \(L\) en Henry (H).
- Calculer la pulsation \(\omega\) (oméga) du signal.
- Calculer la réactance inductive \(X_L\).
- Déduire l'intensité efficace \(I\) traversant la bobine (Loi d'Ohm en AC).
- Si la fréquence double, que devient la réactance ?
Les bases théoriques
Pour résoudre cet exercice, voici les formules essentielles de l'électrocinétique en régime alternatif sinusoïdal.
La Pulsation (\(\omega\))
Elle représente la vitesse de rotation du vecteur de phase et est directement liée à la fréquence.
Formule de la Pulsation
Où :
- \(\omega\) est en radians par seconde (\(\text{rad/s}\)).
- \(f\) est la fréquence en Hertz (\(\text{Hz}\)).
La Réactance Inductive (\(X_L\))
C'est la "résistance" qu'oppose la bobine au courant alternatif.
Formule de la Réactance
Où :
- \(X_L\) est en Ohms (\(\text{ } \Omega\)).
- \(L\) est l'inductance en Henry (\(\text{H}\)).
- \(\omega\) est la pulsation (\(\text{rad/s}\)).
Loi d'Ohm en Alternatif
Elle s'applique aux valeurs efficaces.
Loi d'Ohm
Correction : Calcul de la Réactance Inductive
Question 1 : Conversion de l'inductance
Principe
Avant d'effectuer tout calcul, il est impératif de travailler avec les unités du Système International (SI). L'inductance \(L\) doit être exprimée en Henry (H), or elle est donnée en milli-Henry (mH). Le principe est d'uniformiser les unités pour éviter les erreurs d'ordres de grandeur.
Mini-Cours
Rappel sur les préfixes :
Le préfixe "milli" (m) correspond à un facteur de \(10^{-3}\) ou "divisé par 1000".
\[ 1 \text{ mH} = 0,001 \text{ H} \]
D'autres préfixes courants sont "micro" (\(\mu\), \(10^{-6}\)) et "nano" (n, \(10^{-9}\)).
Remarque Pédagogique
Il est fréquent en électronique de trouver des valeurs en mH ou µH sur les composants réels. La conversion est la première source d'erreur dans les examens ! Prenez l'habitude de l'écrire explicitement.
Normes
La norme ISO 80000-1 définit les règles d'écriture des unités et préfixes SI. Le symbole H (Henry) est majuscule car il provient d'un nom propre (Joseph Henry).
Formule(s)
Formule de conversion
Hypothèses
On suppose que la valeur donnée (50 mH) est précise et ne nécessite pas de prise en compte de tolérance (comme ±5% ou ±10%) pour cet exercice théorique.
Donnée(s)
🔍 Source des données : Ces valeurs proviennent directement des caractéristiques du circuit données dans l'énoncé.
| Grandeur | Symbole | Valeur Initiale |
|---|---|---|
| Inductance | \(L\) | 50 mH |
Astuces
Pour diviser par 1000 mentalement, déplacez simplement la virgule de 3 rangs vers la gauche : 50,0 \(\rightarrow\) 5,00 \(\rightarrow\) 0,50 \(\rightarrow\) 0,050.
Schéma (Avant)
Calcul(s) Détaillés
Étape 1 : Comprendre le préfixe
Le symbole "m" (milli) devant l'unité H (Henry) est un multiplicateur. Il signifie "millième" ou \( \times 0,001 \).
Étape 2 : Substitution
Nous remplaçons la valeur initiale et le préfixe dans l'équation :
Étape 3 : Résultat
Multiplier par 0,001 revient à décaler la virgule de 3 rangs vers la gauche :
C'est cette valeur de 0,05 H que nous utiliserons dans toutes les formules suivantes.
Schéma (Après)
Réflexions
La valeur numérique semble petite, mais 0,05 H est une inductance assez standard pour des applications de filtrage secteur. Une bobine de 1 H serait physiquement très grosse et lourde.
Points de vigilance
Ne confondez pas "milli" (m, \(10^{-3}\)) avec "micro" (µ, \(10^{-6}\)). Une erreur de facteur 1000 fausserait totalement le dimensionnement du circuit.
Points à Retenir
Toujours convertir en Henry avant de multiplier par \(\omega\). C'est la règle d'or des calculs d'impédance.
Le saviez-vous ?
Le Henry est une unité "grande". En radiofréquence (circuits de téléphones, wifi), on utilise souvent des nano-Henry (nH), soit un milliardième de Henry !
FAQ
Puis-je laisser en mH dans la formule finale ?
Non, car la formule \(X_L = L\omega\) donnerait un résultat en milli-Ohms si vous laissez L en mH. Cela risque de vous embrouiller lors de l'application de la loi d'Ohm où U est en Volts et I en Ampères.
A vous de jouer
Combien font 470 mH en Henry ?
📝 Mémo
milli = mille fois plus petit.
Question 2 : Calcul de la pulsation \(\omega\)
Principe
La pulsation \(\omega\) (oméga) est l'expression de la fréquence en unités d'angle (radians) par seconde. Elle facilite les calculs trigonométriques car les fonctions sinus et cosinus utilisent naturellement des radians.
Mini-Cours
Un cycle complet de courant alternatif correspond à un tour complet sur le cercle trigonométrique, soit \(2\pi\) radians. La pulsation est donc le nombre de "tours" (exprimé en radians) effectués par seconde.
Remarque Pédagogique
La pulsation est une constante du signal électrique, elle ne dépend pas des composants du circuit (R, L, ou C). C'est une propriété de la source d'énergie.
Normes
La fréquence standard du réseau de distribution est de 50 Hz en Europe, Asie, Afrique et 60 Hz en Amérique du Nord (notre cas ici). La tolérance est très stricte (souvent ±0.2 Hz).
Formule(s)
Définition de la pulsation
Hypothèses
Le signal est parfaitement sinusoïdal et sa fréquence est stable à exactement 60 Hz, sans harmoniques ni fluctuations.
Donnée(s)
🔍 Source des données : La fréquence est donnée dans l'énoncé, et Pi est une constante mathématique universelle.
| Grandeur | Symbole | Valeur |
|---|---|---|
| Fréquence | \(f\) | 60 Hz |
| Constante Pi | \(\pi\) | \(\approx 3,14159\) |
Astuces
Pour le 60 Hz, retenez la valeur par cœur : \(\omega \approx 377 \text{ rad/s}\). Pour le 50 Hz, c'est \(\approx 314 \text{ rad/s}\) (facile à retenir, c'est \(100 \times \pi\)).
Schéma (Avant)
Calcul(s) Détaillés
Étape 1 : Poser la formule
La relation entre la pulsation et la fréquence est constante :
Étape 2 : Remplacer les valeurs
On remplace \(f\) par 60 Hz et \(\pi\) par environ 3,14 :
Étape 3 : Simplification mentale
On peut d'abord multiplier les nombres entiers pour simplifier :
Étape 4 : Résultat final
Le calcul donne 376,991... que l'on arrondit à l'entier supérieur pour simplifier les calculs suivants sans perdre trop de précision.
Schéma (Après)
Réflexions
Cette valeur élevée explique pourquoi les effets capacitifs et inductifs deviennent importants même à basse fréquence. Chaque seconde, le vecteur phase tourne 60 fois, parcourant 377 radians.
Points de vigilance
Attention à ne pas confondre degrés et radians sur votre calculatrice si vous utilisez des fonctions trigonométriques (sin/cos) par la suite. Ici, \(\omega\) est bien en radians.
Points à Retenir
\(\omega_{50\text{Hz}} \approx 314 \text{ rad/s}\)
\(\omega_{60\text{Hz}} \approx 377 \text{ rad/s}\)
Le saviez-vous ?
La lettre grecque \(\omega\) (oméga minuscule) est utilisée par convention pour la vitesse angulaire en physique, que ce soit pour un moteur qui tourne ou pour un signal électrique.
FAQ
Pourquoi utiliser \(\omega\) et pas juste \(f\) ?
Cela évite de traîner le facteur \(2\pi\) dans toutes les équations différentielles et les calculs d'impédance complexes (\(jL\omega\)). C'est une simplification d'écriture mathématique.
A vous de jouer
Calculez \(\omega\) pour f = 50 Hz.
📝 Mémo
\(\omega\) tourne vite !
Question 3 : Calcul de la Réactance \(X_L\)
Principe
La réactance est l'équivalent de la résistance pour une bobine en alternatif. C'est une grandeur qui quantifie l'opposition au passage du courant. Elle dépend de la valeur de la bobine (son inertie électrique) et de la vitesse de variation du signal (sa fréquence).
Mini-Cours
Une bobine s'oppose aux variations de courant (Loi de Lenz). Plus la fréquence est élevée (\(\omega\) grand), plus les variations sont rapides, et plus la bobine s'oppose (\(X_L\) grand). Contrairement à une résistance, elle ne chauffe pas (idéalement) mais renvoie l'énergie.
Remarque Pédagogique
Contrairement à une résistance R, une réactance ne dissipe pas de chaleur (puissance active nulle) dans un cas idéal. Elle emmagasine de l'énergie magnétique puis la restitue au circuit.
Normes
L'unité de la réactance est l'Ohm (\(\Omega\)), comme pour la résistance et l'impédance. La norme CEI utilise le symbole \(X\) pour les réactances et \(Z\) pour l'impédance totale.
Formule(s)
Réactance Inductive
Hypothèses
On considère la bobine comme une inductance pure (résistance série interne nulle), ce qui simplifie le calcul en négligeant l'effet Joule et les pertes fer.
Donnée(s)
🔍 Source des données : Nous utilisons l'inductance convertie en Henry (calculée à la Question 1) et la pulsation (calculée à la Question 2).
| Grandeur | Symbole | Valeur |
|---|---|---|
| Inductance | \(L\) | 0,05 H (calculé en Q1) |
| Pulsation | \(\omega\) | 377 rad/s (calculé en Q2) |
Astuces
Vérifiez toujours l'ordre de grandeur. Une bobine de quelques mH à 50/60Hz donne souvent une réactance de quelques Ohms ou dizaines d'Ohms. Si vous trouvez des méga-Ohms, vérifiez vos unités !
Schéma (Avant)
Calcul(s) Détaillés
Étape 1 : Identifier la formule
La réactance est le produit de l'inductance par la pulsation.
Étape 2 : Substitution numérique
On utilise les résultats des questions précédentes : \(L = 0,05\) et \(\omega = 377\).
Étape 3 : Astuce de calcul
Multiplier par 0,05 est équivalent à diviser par 20 (car \(0,05 = 1/20\)).
Schéma (Après)
Réflexions
Cette valeur de 18,85 \(\Omega\) signifie que si on applique 1 Volt, il passera environ 1/18 Ampère. C'est une valeur "tangible" qui montre que la bobine n'est pas un court-circuit en alternatif.
Points de vigilance
Ne jamais additionner directement \(X_L\) avec une résistance \(R\) ! Il faut utiliser la somme vectorielle (Pythagore) : \(Z = \sqrt{R^2 + X_L^2}\) car \(X_L\) est imaginaire pur (\(jL\omega\)).
Points à Retenir
\(X_L\) est proportionnel à la fréquence. Pas de fréquence (DC) = Pas de réactance (court-circuit).
Le saviez-vous ?
Le terme "Impédance" a été inventé par Oliver Heaviside en 1886, un mathématicien autodidacte génial qui a reformulé les équations de Maxwell.
FAQ
Est-ce que \(X_L\) change si la tension change ?
Non, \(X_L\) est une caractéristique intrinsèque du composant à une fréquence donnée. Elle ne dépend que de la bobine (L) et de la fréquence (f). Elle est indépendante de la tension U appliquée.
A vous de jouer
Si la bobine faisait 0,1 H (le double), combien vaudrait \(X_L\) ?
📝 Mémo
\(X_L\) = Obstacle inductif.
Question 4 : Calcul de l'Intensité \(I\)
Principe
On utilise la loi d'Ohm, qui reste valable en alternatif pour les valeurs efficaces, en remplaçant la résistance par la réactance (ou l'impédance). C'est le lien fondamental entre tension et courant.
Mini-Cours
La loi d'Ohm généralisée en alternatif s'écrit \(U_{\text{eff}} = Z \times I_{\text{eff}}\). Ici, comme il n'y a qu'une bobine idéale et pas de résistance, l'impédance totale \(Z\) est strictement égale à la réactance \(X_L\).
Remarque Pédagogique
On calcule ici le courant efficace car la tension donnée est implicitement efficace (standard réseau). Le courant crête serait \(\sqrt{2}\) fois plus grand.
Normes
En électrotechnique, sans précision explicite (comme "valeur crête" ou "max"), une valeur de tension (ex: 230V) est toujours une valeur efficace (RMS - Root Mean Square).
Formule(s)
Loi d'Ohm généralisée
Hypothèses
On néglige la résistance des fils de connexion et on suppose la source de tension parfaite (pas de chute de tension interne, elle maintient 230V quel que soit le courant).
Donnée(s)
🔍 Source des données : La tension est donnée dans l'énoncé, et la réactance provient du calcul de la Question 3.
| Grandeur | Valeur |
|---|---|
| Tension \(U\) | 230 V |
| Réactance \(X_L\) | 18,85 \(\text{ } \Omega\) (calculé en Q3) |
Astuces
La formule est \(I = U/R\). C'est la même forme. Plus la réactance est grande, plus le courant est petit (inversement proportionnel).
Schéma (Avant)
Calcul(s) Détaillés
Étape 1 : Appliquer la Loi d'Ohm
La tension est égale au produit de l'impédance par le courant : \(U = X_L \times I\). On isole \(I\) en divisant par \(X_L\) :
Étape 2 : Remplacer par les valeurs
Nous intégrons les valeurs :
Étape 3 : Estimation (Ordre de grandeur)
Pour vérifier si le résultat est cohérent, on arrondit \(18,85\) à \(20\) :
Comme on divise par un nombre un peu plus petit que 20 (18,85), le résultat réel sera un peu plus grand que 11,5.
Étape 4 : Calcul précis
Le calcul précis donne :
On arrondit à 12,2 A.
Schéma (Après)
Réflexions
12 Ampères est un courant considérable (c'est ce que consomme un radiateur de 2500W !). En pratique, une telle bobine chaufferait énormément si elle n'est pas dimensionnée pour cette puissance (gros fil de cuivre). Cela montre qu'à 50 mH, l'impédance est encore assez faible pour laisser passer beaucoup de courant.
Points de vigilance
Si la fréquence diminuait, \(X_L\) diminuerait et le courant \(I\) augmenterait dangereusement. En courant continu (0 Hz), \(X_L=0\), ce serait un court-circuit franc !
Points à Retenir
La bobine limite le courant en alternatif sans dissiper d'énergie active (dans le cas idéal).
Le saviez-vous ?
C'est ce principe qui est utilisé pour limiter le courant dans les anciens tubes fluorescents. Le "ballast" est une grosse bobine qui empêche le courant de s'emballer.
FAQ
Est-ce que le courant est en phase avec la tension ?
Non ! Dans une bobine pure, le courant est en retard de 90° (\(\pi/2\) radians) sur la tension. Le courant met du temps à s'établir à cause de l'inductance.
A vous de jouer
Si U = 115 V (moitié de la tension), que vaut I ?
📝 Mémo
U = Z * I.
Question 5 : Variation de la fréquence
Principe
On étudie l'influence d'une variation de paramètre (la fréquence) sur le comportement du circuit. Comprendre ces tendances est essentiel pour la conception de filtres.
Mini-Cours
La fonction \(f(x) = k \cdot x\) est une fonction linéaire. Si \(x\) double, \(f(x)\) double. Ici, \(X_L\) est une fonction linéaire de la fréquence \(f\). La courbe caractéristique est une droite passant par l'origine.
Remarque Pédagogique
Ce comportement est exactement l'inverse de celui du condensateur, dont la réactance (\(X_C = 1/C\omega\)) diminue quand la fréquence augmente.
Normes
Les tests de variation de fréquence (Frequency Response Analysis) sont standards pour qualifier les filtres et les systèmes audio.
Formule(s)
Relation de proportionnalité
Hypothèses
On suppose que l'inductance \(L\) reste constante. En réalité, à très haute fréquence, des effets parasites (capacité inter-spires) ou la saturation magnétique pourraient modifier L, mais on néglige cela ici.
Donnée(s)
🔍 Source des données : Nous comparons l'état initial (f1) avec un nouvel état hypothétique (f2) proposé dans la question.
| État 1 | État 2 |
|---|---|
| \(f_1 = 60 \text{ Hz}\) | \(f_2 = 120 \text{ Hz} = 2 \times f_1\) |
Astuces
Pas besoin de tout recalculer depuis le début ! Utilisez le facteur multiplicatif. Si \(f\) est multiplié par \(k\), \(X_L\) est multiplié par \(k\).
Schéma (Avant)
Calcul(s) Détaillés
Étape 1 : Analyser la formule littérale
Reprenons la formule complète en remplaçant \(\omega\) par \(2\pi f\) :
On voit ici que \(X_L\) dépend directement de \(f\) au numérateur. Tout le reste (\(L, 2, \pi\)) est constant.
Étape 2 : Simulation du changement
Si on remplace \(f\) par une nouvelle fréquence \(f_{\text{new}} = 2 \times f\) :
Étape 3 : Conclusion numérique
On multiplie simplement l'ancien résultat par 2 :
Schéma (Après)
Réflexions
Plus la fréquence monte, plus la bobine "bloque" le courant. C'est un filtre passe-bas : elle laisse passer les basses fréquences (facilement) et bloque les hautes fréquences (difficilement).
Points de vigilance
À très haute fréquence, la bobine réelle peut avoir des effets capacitifs parasites (capacité entre les spires) et ne plus se comporter comme une inductance pure (résonance).
Points à Retenir
Bobine = Ennemi des hautes fréquences. Elle "freine" les changements rapides.
Le saviez-vous ?
En audio, on met une bobine en série avec le boomer (haut-parleur de graves) pour empêcher les sons aigus d'y aller, car le boomer ne sait pas bien les reproduire.
FAQ
Et si la fréquence est divisée par 2 ?
La réactance sera divisée par 2. La relation est symétrique.
A vous de jouer
Que devient le courant I si la fréquence double (à tension constante) ?
📝 Mémo
Proportionnalité directe.
Bilan de l'Étude
Résumé des grandeurs calculées pour ce circuit inductif.
📝 Grand Mémo : Ce qu'il faut retenir
Synthèse des concepts clés de la réactance inductive :
-
📈
Proportionnalité
La réactance \(X_L\) augmente avec la fréquence. Une bobine "aime" le continu et "déteste" l'alternatif haute fréquence. -
Ω
Unité
Comme une résistance, la réactance s'exprime toujours en Ohms. -
📐
Formule Clé
\(X_L = 2\pi f L\). Si vous connaissez \(f\) et \(L\), vous connaissez l'opposition au courant.
🎛️ Simulateur de Réactance
Modifiez la fréquence et l'inductance pour observer l'évolution de la réactance \(X_L\).
Paramètres
📝 Quiz final : Testez vos connaissances
1. Que devient la réactance \(X_L\) si la fréquence est nulle (Courant Continu, f=0) ?
2. Quelle est l'unité internationale de l'inductance ?
📚 Glossaire Technique
- Impédance (Z)
- Opposition totale d'un circuit au passage du courant alternatif. Elle combine résistance et réactance.
- Inductance (L)
- Propriété d'un composant à s'opposer à la variation du courant qui le traverse (en Henry).
- Pulsation (\(\omega\))
- Vitesse angulaire du signal, exprimée en radians par seconde.
- Réactance (X)
- Partie imaginaire de l'impédance. Elle ne dissipe pas d'énergie thermique (contrairement à la résistance).
- Sélénoïde
- Autre nom pour désigner une bobine longue.
Le Saviez-vous ?
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