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EM.2 · Circuit power, induction and charged-particle motion

GRE · GRE Subject Test · GRE Physics · Sujet 14

14.1

Puissance de circuit, induction et mouvement de particules chargées

Une résistance dans une branche parallèle voit la tension de cette branche, qui peut différer de la tension de la batterie car une autre résistance est en série.

Prérequis : 2, 30.

  • Résoudre des réseaux de résistances et distinguer les grandeurs CA efficaces (rms) des valeurs crêtes
  • Appliquer l'enchaînement de flux, la direction de Lenz et le champ d'une boucle de courant
  • Utiliser les rapports charge sur masse et équilibrer les forces dans un champ croisé
Vocabulaire Entrainer
English Français
root mean square/ruːt miːn skweə/ racine carrée de la moyenne des carrés
flux linkage/flʌks ˈlɪŋkɪdʒ/ enchaînement de flux
network/ˈnetwɜːk/ réseau de circuits
14.2

Choisir le système et le modèle

Pour les circuits à résistance idéale en régime permanent, les résistances en série s'additionnent et les conductances en parallèle s'additionnent. Réduire un réseau tout en conservant les nœuds partageant le même potentiel. Avec une source de 24 V, une résistance en série de 2 Ω et des branches en parallèle de 3 Ω et 6 Ω, la résistance équivalente en parallèle est 2 Ω. Le courant total est 6 A, la tension aux bornes du branchement est 12 V et les courants dans chaque branche sont 4 A et 2 A. Le courant traversant chaque composant n'est pas nécessairement égal au courant total ; vérifier les sommes des courants et des tensions de Kirchhoff après réduction.

14.3

Utiliser la relation régissante

Pour un courant sinusoïdal I=Imax sin(ωt−φ), Irms=Imax/sqrt(2). Un circuit RLC en série a une impédance de module sqrt(R²+(ωL−1/(ωC))²) et une puissance dissipée moyenne Irms²R=Vrms Irms cosφ. Les inducteurs/capacités idéaux échangent l'énergie stockée sans dissipation moyenne nulle. Si le courant efficace est déjà donné, ne pas insérer un autre facteur 1/2. Une diode redresseuse idéale conduit dans son sens direct et bloque dans le sens inverse : une diode en série orientée correctement coupe la moitié négative de la tension aux bornes d'une résistance sinusoïdale ; elle ne constitue pas seule un redresseur double alternance.

14.4

Appliquer les conditions

Le flux magnétique est ∫B·dA, ou BA cosθ pour un champ uniforme où θ est mesuré par rapport à la normale à la surface. La fém de Faraday est −N dΦ/dt. Pour un champ perpendiculaire variable et une géométrie de boucle fixe, sa grandeur moyenne est NA|ΔB|/Δt. Déterminer le signe ou la direction du courant par opposition au changement de flux, et non par opposition au champ lui-même. Le champ magnétique au centre d'une boucle circulaire est μ0I/(2R), obtenu à partir de Biot–Savart : chaque élément contribue dans la même direction axiale. Une bobine compacte de N spires multiplie ce résultat par N.

14.5

Vérifier la conclusion

Pour une charge non relativiste dont la vitesse est perpendiculaire à un champ B uniforme, la force magnétique |q|vB fournit la force centripète mv²/r. Ainsi r=mv/(|q|B) et la fréquence angulaire cyclotronique est |q|B/m, indépendante de la vitesse dans cette approximation. Le signe de la charge détermine le sens de rotation. Un deuton a environ deux fois la masse du proton et la même charge, tandis qu'une particule alpha a quatre fois sa masse et deux fois sa charge ; leurs fréquences sont chacune la moitié de celle du proton. Dans des champs E et B croisés, un mouvement non dévié nécessite que les forces électriques et magnétiques soient opposées et v=E/B. Vérifier les directions vectorielles avant d'utiliser cette grandeur.

14.6

Méthode résolue

Une source idéale de 24 V alimente 2 ohms en série avec des branches en parallèle de 3 et 6 ohms. Identifier les nœuds avant de réduire le réseau.

$$R_p=(1/R_1+1/R_2)^{-1}=(1/(3\,\Omega)+1/(6\,\Omega))^{-1}=2\,\Omega.$$
$$I=V/(R_s+R_p)=(24\,\mathrm V)/(4\,\Omega)=6\,\mathrm A.$$
$$V_p=IR_p=(6\,\mathrm A)(2\,\Omega)=12\,\mathrm V.$$
$$I_2=V_p/R_2=(12\,\mathrm V)/(6\,\Omega)=2\,\mathrm A.$$
L'autre branche transporte 4 A ; les courants de branche s'additionnent au courant de la source.

Puissance de circuit, induction et mouvement de particules chargées : schéma original GRE
Puissance de circuit, induction et mouvement de particules chargées : schéma pédagogique GRE original.
14.7

Vérifier les conditions et le vocabulaire

Ne pas appliquer la tension de la batterie à chaque branche ni diviser encore une fois la puissance d'un courant efficace par deux. L'angle de flux utilise la normale à la surface ; un sélecteur nécessite également des directions de force opposées.

valeur efficace : Racine carrée de la valeur moyenne du carré, utilisée pour le courant ou la tension CA effective.

enchaînement de flux : Somme du flux magnétique à travers les spires d'une bobine.

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