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Exercices d'Électrocinétique □ Intensité et densité de http ://pcsi- unautreregard over-blog com/ Ex-E2 12 Filtre de Wien (Exercice important ) Le montage

PTSI ∣ Exercices – Électrocinétique 2009-2010 [PE1] Bernard Gendreau, Christophe Gripon, Électrocinétique PCSI MPSI PTSI, Classe Prépa, Nathan, 2006

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Exercices d'Électrocinétique □ Intensité et densité de http ://pcsi- unautreregard over-blog com/ Ex-E2 12 Filtre de Wien (Exercice important ) Le montage

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8 août 2010 · TD 1 Electrocinétique 2007/08 PCSI 1 Page 2 sur 2 Lycée Fabert Metz Exercice 6 : Adaptation d'impédance Un générateur modélisé par

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PCSI MPSI PTSI Classe prépa Électrocinétique Bernard Gendreau Professeur de chaire supérieure en classes savoir résoudre les exercices

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Electrocinétique électronique electrocinetique ; 1e annee mpsi, pcsi, ptsi ; exercices corriges Électrocinétique Mini Manuel Electromagnétisme Électricité

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2 Pour l'exercice : Resituer l'exercice par rapport au cours et préciser les lois physiques utilisées (en justifiant le choix )

Exercices d"´Electrocin´etique

?Intensit´e et densit´e de courant E1? ???Ex-E1.1Vitesse des porteurs de charges : On dissout une massem= 20gde chlorure de sodiumNaCl dans un bac ´electrolytique de longueurl= 20cmet de section S= 10cm×10cmrempli d"eau. La dissolution est totale. On fait passer un courant d"intensit´eI= 100mAentre deux ´electrodes situ´ees aux extr´emit´es de la cuve.

Donn´ees :masses molaires :

M(Cl) = 35,5g.mol-1etM(Na) = 23g.mol-1.

Nombre d"AvogadroestNA= 6,02.10-23mol-1; charge ´el´ementaire este= 1,6.10-19C.

©Q :Sachant que les vecteurs vitesse des ions chlorure et des ions sodium sont de sens oppos´es

et dans le rapport 1,5, d´eterminer la vitesse et le sens de d´eplacement de ces ions.

R´ep :v+?= 2,4.10-7m.s-1;v-?= 3,6.10-7m.s-1.

???Ex-E1.2Semi-conducteur :Les semi-conducteurs sont des mat´eriaux utilis´es en ´electronique

et dont la conduction varie fortement avec la temp´erature ou avec la pr´esence d"impuret´e. Dans

un semi-conducteur, il existe deux types de porteurs de charge : ◦les ´electrons, de chargeqe=-e, de densit´ene; ◦et les trous, de chargeqp= +e, de densit´enp.

`A une temp´erature donn´ee, du fait des propri´et´es dues aux liaisons internes au semi-conducteur,

le produitnenp=n2iest constant.

La pr´esence d"impuret´es (= atomes '´etrangers" au r´eseau) permet de modifierneetnptout en

maintenant le produitnenpconstant. En l"absence d"impuret´es, ces deux valeurs sont ´egales :ne=np=ni.

Pour le silicium, nous avons :ni= 1,5.1016m-3.

Dans les conditions d"´etude, la vitesse des ´electrons estve= 12cm.s-1et celle des trousvp=

5cm.s-1.

1)D´eterminer la densit´e de courant du silicium dans les conditions d"´etude.

2)Comment varie la densit´e de courantjavecne? Tracer l"allure de la courbe correspondante

j=j(ne) et expliquer l"int´erˆet de la pr´esence d"impuret´es dans le silicium utilis´e en ´electronique.

R´ep : 1)j= 4,1.10-4A.m-2;

2)jmin=j0= 3,7.104A.m-2pourne,0=ni?

vP ve= 9,7.1015m-3. ?Calculs de tensions et de courants E2? ???Ex-E2.1R´eseau `a deux mailles D´eterminer, pour le circuit ci-contre, l"intensit´eiqui traverse la r´esistanceR2et la tensionuaux bornes de la r´esistanceR3:

1)en faisant des associations de r´esistances et en appliquant le

diviseur de tension.

2)en faisant une transformationTh´evenin→Nortonet en

appliquant le diviseur de courant. E R1 R3R 2 R 4ui

3)Application num´erique pourE= 6V,R1= 100 Ω,R2=R3=R4= 50 Ω

R´ep : 1/2)i=R3E

R1R3+ (R1+R3)(R2+R4);u=R3(R2+R4)ER1R3+ (R1+R3)(R2+R4);

3)i= 15mAetu= 1,5V.

Exercices d"´Electrocin´etique2008-2009

???Ex-E2.2Circuit lin´eaire

Dans le circuit ci-contre :

1)CalculerUEF,

2)Calculer l"intensit´eI0circulant dans

la branche principale;

3)Calculer l"intensit´eI?circulant dans

la branche contenant le g´en´erateurE? (pr´eciser son sens);

4)Calculer les intensit´esi1,i2eti3.

Donn´ees :

R= 1Ω,E= 5VetE?= 3V.

E2R RA B E" 2RR R R R C D E F I0i 1 i 2 i 3 R´ep :UEF?1,67V;I0?0,83A;I??0,17A;i1=i3?0,33A;i2?0,17A.? ???Ex-E2.3Distribution de courant sur les arˆetes d"un cube Le courant d"intensit´eIarrive sur le sommetAd"un cube dont les arˆetes sont constitu´ees par un fil m´etallique; chaque arˆete a une r´esistancer. Le courant ressort par le sommetHoppos´e `aA.

1)Calculer les intensit´es dans chaque branche.

2)SoitVA=VetVH= 0Vles potentiels des pointsAetH. Calculer

les potentiels des diff´erents sommets.

3)Quelle est la chaleur dissip´ee dans le cube par unit´e de temps?

A.N. :I= 500mAetr= 0,2 Ω.

R´ep : 2)VE=VF=VG=rI3=25V;VB=VD=VC=VA-rI3=35V;

3)PJ=δQ

dt=56rI2?42mW. ?Association de g´en´erateurs ???Ex-E2.4Mod´elisation de Th´evenin (1) Donner le g´en´erateur deTh´evenin´equivalent au circuit ci-contre entreAetB.

R´ep :R´eq=R

2etETh=e+Rη.

???Ex-E2.5Mod´elisation de Th´evenin (2)

D´eterminer le g´en´erateur

deTh´evenin´equivalent au r´eseau dipolaire entre les bornesAetBci-contre.

Donn´ees :η= 1A,R= 6Ω

etE= 24V. E2R R2RA Bh5h EThR eq B A

R´ep :Req=R2= 3 Ω etETh= 2Rη+E4= 18V

?Calculs de r´esistances ´equivalentes ???Ex-E2.6R´esistance ´equivalente d"un r´eseau dipolaire (1) Calculer la r´esistance´equivalente `a un r´eseau `a mailles carr´ees, chaque cˆot´es ayant la r´esistancer.

R´ep :R´eq=13

7R A E GD C M N F BI I

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2008-2009Exercices d"´Electrocin´etique

???Ex-E2.7R´esistance ´equivalente d"un r´eseau dipolaire (2) Chaque trait repr´esente un r´esistor de r´esistanceR. D´eterminer la r´esistance ´equivalente de ce r´eseau vu des points :

1)A et C (5R/4)2)A et E (3R/2)3)A et F (7R/8)

4)B et D (5R/6)5)H et D (R)6)A et B (17R/24)

7)B et F (7R/12)ABC

H FD G JE ???Ex-E2.8Th´eor`eme de Kennelly (`A comprendre!) On consid`ere les deux circuits ci-dessous : celui de gauche est appel´e le circuit" étoile » et celui de droite circuit " triangle ». Exprimer les résistancesr1,r2etr3 du circuit étoile en fonction des résistancesR1,R2et R

3du circuit triangle pour que les deux circuits soient

équivalents. La relation obtenue constitue le théorème deKennelly. R´ep :r1=R2R3R1+R2+R3,r2etr3se d´eduisent par permutation circulaire des indices. ???Ex-E2.9R´esistance ´equivalente d"un r´eseau dipolaire (3)

1)Calculer la r´esistance ´equivalente du r´eseau suivant :

a.en utilisant les lois deKirchoff. b.en utilisant les regroupements de r´esistances (s´erie, pa- rall`ele, triangle-´etoile).

2)On applique entreAetBune tensionU= 11V.R

A BC D RR R R1 2 2 1 Calculer l"intensit´e du courant dans la branche CD avec :R1= 2R,R2= 4R, etR= 1 Ω.

R´ep : 1)R´eq=2R1R2+RR1+RR2

2R+R1+R2;2)I=IC→D=U11R= 1A.

´Equation diff´erentielle et Conditions initiales d"un circuit ???Ex-E2.10Deux bobines r´eelles en parall`ele D´eterminer, dans le cas particulier o`uR1L2=R2L1, l"´equation diff´erentielle liant la tensionuet le courantidans le montage ci-contre, constitu´e de deux bobines r´eelles en parall`ele.

R´ep :(L1+L2)u=L1L2di

dt+R2L1i ???Ex-E2.11Deux condensateurs r´eels en s´erie D´eterminer l"´equation diff´erentielle liant la tensionuet le courantidans le montage ci-contre, constitu´e de deux conden- sateurs avec fuite en s´erie. On noterau1etu2les tensions aux bornes de chaque condensateur. R´ep :Cas o`uR2C2=R1C1: (C1+C2)i=C1C2dudt+C1R2u. ???Ex-E2.12Filtre de Wien (Exercice important!) Le montage ci-contre comporte deux r´esistances identiquesRet deux condensateurs de capacit´es identiquesC.

1)´Ecrire l"´equation diff´erentielle liant la tension de sortievaux

bornes du condensateur et la tension d"entr´eeu.

2)`A l"instant initial, les deux condensateurs sont d´echarg´es et la tensionu=Eest constante.

D´eterminer les conditions initiales portant survetdv dtjuste apr`es le branchement du circuit : v(0+) etdv dt(0+). qadripcsi@aol.comhttp ://pcsi-unautreregard.over-blog.com/3

Exercices d"´Electrocin´etique2008-2009

R´ep : 1)dudt=RCd2vdt2+ 3dvdt+vRC;2)v(0+) = 0 etdvdt(0+) =ERC. ???Ex-E2.13Bobine r´eelle en s´erie avec un condensa- teur avec fuites Une bobine r´eelle d"inductanceLposs`ede une r´esistance r. Elle est plac´ee avec un condensateur de capacit´eCet de r´esistance de fuiteR.

1)D´eterminer l"´equation diff´erentielle liant l"intensit´ei

et la tensionu.

2)`At= 0, la tension aux bornes du condensateur vautv0et pourt≥0, on imposeu= 0 grˆace

`a un court-circuit. Juste apr`es l"installation du court-circuit, que valenti(0+)?v(0+)?di dt(0+)? etdvdt(0+)?

R´ep : 1)LCd2i

dt2+? rC+LR? didt+?

1 +rR?

i=uR+Cdudt

2)i(0+) = 0;v(0+) =v0;di

dt(0+) =-v0L;dvdt(0+) =-v0RC.

Solution Ex-E2.1

1)Apr`es avoir introduit et nomm´e les noeuds, on peut introduire la

r´esistance ´equivalente `aR2etR4qui sont en s´erie :R5=R2+R4 •Il apparaˆıt queR3est en parall`ele avecR5.

En simplifiant :R6=R3//R5=R3R5

R3+R5.

•On reconnaˆıt un diviseur de tension,R1etR6´etant en s´erie, sou- mises `a la tensionE:UAB=R6

R1+R6E=R3R5R3+R5ER1+R3R54R3+R5

Soit :u=UAB=R3(R2+R4)

R1R3+ (R1+R3)(R2+R4)E

•i=UABR5sur le premier sch´ema ´equivalent.

Soit :i=R3E

R1R3+ (R1+R3)(R2+R4).

E R1 R3ui ?R 5A B E R1 R6u? ?A B

Rque : Attention!in"apparaˆıt plus sur le second sch´ema ´equivalent. Il fallait revenir au

premier sch´ema ´equivalent pour l"exprimer.

2)On introduit et on nomme les noeuds. On reconnaˆıt un g´en´erateur

deTh´evenindef.´e.m.Eet de r´esistance interneR1entreAetB. On peut faire une transformationTh´evenin→Norton.

Il apparaˆıt lec.´e.m.:η=E

R1. •R1etR3sont en paral`ele, de r´esistance ´equivalente :R0=R1R3

R1+R3.

•R0est en parall`ele avecR5,mais on ne simplifie pas!car : - on cherchei - on reconnaˆıt un diviseur de courant au noeudAaliment´e parη:

R5ηui

?A B R0

R3ηui

?R 5A B R1 i=R0

R0+R5η=R1R3R1+R3.1R1R3

R1+R3+R2+R4.ER1. Soit :i=R3ER1R3+ (R1+R3)(R2+R4).

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2008-2009Exercices d"´Electrocin´etique

•PuisqueUAB=R5i, on retrouve :u=UAB=R3(R2+R4)R1R3+ (R1+R3)(R2+R4)E

3)i= 15mAetu=UAB= 1,5V.

Solution Ex-E2.2

1)On reconnaˆıt un montage" Diviseur de tension » entreDetF,

donc :UEF=R

R+ 2RE?= 1V

2)• Il faut d"abord exprimer la résistance équivalenteReqentreBetC.

R eq= (R//R)//2R=R

2//2R=25R

• Du point de vue de la branche principale, la branche{D,2R,R,F}est inutile puisqu"une force éloctromotriceE?en parallèle impose la tension à ses bornes. On peut donc l"enlever sur un schéma équivalent.

Il apparaît deux forces électromotrices en série qui s"oppose : on peut donc les remplacer par une

seule et uniquef.é.m.de valeurE0=E-E?= 2V et de même sens queE. • Le circuit est maintenant équivalent à un circuit formé d"une seule maille - parcourue parI0, - constitué d"unef.é.m.E0de même sens queI0 - et d"une résistance équivalenteR0=R+Req+R=12 5R. →la loi des mailles donneI0=E0

R0=512R(E-E?) =56A≈0,83A

3)• Pour connaître l"intensitéI?circulant dans la branche contenantE?on calcule d"abord

l"intensitéI??qui circule deDversFdans la branche contenant les résistances2R+R= 3R soumises à la tensionE?. La loi d"Ohmdonne, en convention récepteur :I??=E?

3R= 1A

• On en déduit donc, d"après la loi des noeuds et en définissantI?par rapport àE?en convention

générateur, queI?=I??-I0=1

6A≈0,17A(I?dirigée deFversD).

4)• Tout d"abord, les symétries imposent quei1=i3

On reconnaît ensuite entreBetCun diviseur de courant : • On a donc :i1=G1

GeqI0=ReqRI0=?i1=i3=25I0=13A≈0,33A

• De même :i2=G2GeqI0=Req2RI0=?i2=15I0=16A≈0,17A • On vérifie bien entendu la loi des noeuds enB:I0=i1+i2+i3. qadripcsi@aol.comhttp ://pcsi-unautreregard.over-blog.com/5

Exercices d"´Electrocin´etique2008-2009

???Ex-E2.14Groupement diode id´eale-r´esistances Représenter la caractéristique Intensité-TensionI(U)du di- pôle équivalent au groupement entre les points A et B. ABUR R' I ???Ex-E2.15Diviseur de Tension (G´en´eralisation) Montrer que la loi à laquelle obéit ce diviseur de tension est : U AB=R2

R1+R2e0-R1R2R1+R2i

e0R 1 R 2A Bi U AB ???Ex-E2.16Alimentation d"une diode (*)

Le montage de la figure ci-contre montre un en-

semble de générateurs associés avec une résis- tanceR3et une diode à jonction. Celle-ci est idéale, sans résistance dynamique, et possède une tension de seuilUS.(e1 , r1) R 1R2A B U AB R3(e

2 , r2)

i En supposant que la diode est polarisée dans le sens direct, et est parcourue par un couranti non nul, exprimerien fonction dee1,e2,US,R1,R2,R3,r1etr2. À quelle condition portant sur ces grandeurs l"hypothèsei?= 0est-elle justifiée?

Rép :i >0pourR3(r2+R2)e1+R3(r1+R1)e2

R3(r2+R2+r1+R1) + (r1+R1)(r2+R2)> US

???Ex-E2.17Protection d"une diode Zener (**) Déterminer la valeur maximaleEmaxde la tension continue

Epour que la diodeZenerne claque pas.

Les caractéristiques de la diodeZenersont :

◦la tensionZenerUZ; E R R' ◦ρla résistance dynamique en régimeZener; ◦ Pquotesdbs_dbs20.pdfusesText_26

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Exercices d"´Electrocin´etique

Donn´ees :masses molaires :

M(Cl) = 35,5g.mol-1etM(Na) = 23g.mol-1.

R´ep :v+?= 2,4.10-7m.s-1;v-?= 3,6.10-7m.s-1.

Pour le silicium, nous avons :ni= 1,5.1016m-3.

5cm.s-1.

1)D´eterminer la densit´e de courant du silicium dans les conditions d"´etude.

2)Comment varie la densit´e de courantjavecne? Tracer l"allure de la courbe correspondante

R´ep : 1)j= 4,1.10-4A.m-2;

2)jmin=j0= 3,7.104A.m-2pourne,0=ni?

1)en faisant des associations de r´esistances et en appliquant le

2)en faisant une transformationTh´evenin→Nortonet en

3)Application num´erique pourE= 6V,R1= 100 Ω,R2=R3=R4= 50 Ω

R´ep : 1/2)i=R3E

3)i= 15mAetu= 1,5V.

Exercices d"´Electrocin´etique2008-2009

Dans le circuit ci-contre :

1)CalculerUEF,

2)Calculer l"intensit´eI0circulant dans

3)Calculer l"intensit´eI?circulant dans

4)Calculer les intensit´esi1,i2eti3.

Donn´ees :

R= 1Ω,E= 5VetE?= 3V.

1)Calculer les intensit´es dans chaque branche.

2)SoitVA=VetVH= 0Vles potentiels des pointsAetH. Calculer

3)Quelle est la chaleur dissip´ee dans le cube par unit´e de temps?

A.N. :I= 500mAetr= 0,2 Ω.

R´ep : 2)VE=VF=VG=rI3=25V;VB=VD=VC=VA-rI3=35V;

3)PJ=δQ

R´ep :R´eq=R

2etETh=e+Rη.

D´eterminer le g´en´erateur

Donn´ees :η= 1A,R= 6Ω

R´ep :Req=R2= 3 Ω etETh= 2Rη+E4= 18V

R´ep :R´eq=13

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1)A et C (5R/4)2)A et E (3R/2)3)A et F (7R/8)

4)B et D (5R/6)5)H et D (R)6)A et B (17R/24)

7)B et F (7R/12)ABC

3du circuit triangle pour que les deux circuits soient

1)Calculer la r´esistance ´equivalente du r´eseau suivant :

2)On applique entreAetBune tensionU= 11V.R

R´ep : 1)R´eq=2R1R2+RR1+RR2

2R+R1+R2;2)I=IC→D=U11R= 1A.

R´ep :(L1+L2)u=L1L2di

1)´Ecrire l"´equation diff´erentielle liant la tension de sortievaux

2)`A l"instant initial, les deux condensateurs sont d´echarg´es et la tensionu=Eest constante.

Exercices d"´Electrocin´etique2008-2009

1)D´eterminer l"´equation diff´erentielle liant l"intensit´ei

2)`At= 0, la tension aux bornes du condensateur vautv0et pourt≥0, on imposeu= 0 grˆace

R´ep : 1)LCd2i

1 +rR?

2)i(0+) = 0;v(0+) =v0;di

Solution Ex-E2.1

1)Apr`es avoir introduit et nomm´e les noeuds, on peut introduire la

En simplifiant :R6=R3//R5=R3R5

R3+R5.

R1+R6E=R3R5R3+R5ER1+R3R54R3+R5

Soit :u=UAB=R3(R2+R4)

R1R3+ (R1+R3)(R2+R4)E

Soit :i=R3E

R1R3+ (R1+R3)(R2+R4).

2)On introduit et on nomme les noeuds. On reconnaˆıt un g´en´erateur

Il apparaˆıt lec.´e.m.:η=E

R1+R3.

R5ηui

R3ηui

R0+R5η=R1R3R1+R3.1R1R3

R1+R3+R2+R4.ER1. Soit :i=R3ER1R3+ (R1+R3)(R2+R4).

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3)i= 15mAetu=UAB= 1,5V.

Solution Ex-E2.2

1)On reconnaˆıt un montage" Diviseur de tension » entreDetF,

R+ 2RE?= 1V

2)• Il faut d"abord exprimer la résistance équivalenteReqentreBetC.

2//2R=25R

R0=512R(E-E?) =56A≈0,83A