électricité (PCSI) · Chapitre 3 · Exercice de TD
Mesurer une constante de temps sur un relevé
Le circuit linéaire du premier ordre · C. Réponse à un échelon · niveau 2
Énoncé
Un générateur basse fréquence (GBF) délivre un créneau entre et , de période longue devant la constante de temps. Il alimente un circuit RC série de valeurs nominales et ; on relève la tension du condensateur pendant une phase de décharge (le GBF délivre alors ), l'origine des temps étant prise au front descendant :
| (s) | 0 | 25 | 50 | 75 | 100 | 150 | 200 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| (V) | 5,00 | 3,94 | 3,11 | 2,45 | 1,93 | 1,20 | 0,74 |
1) Rappeler trois méthodes de lecture de sur une courbe de décharge. Appliquer la méthode « à ».
2) Montrer que est une fonction affine de . Tracer (ou calculer) et en déduire par une régression linéaire. Pourquoi cette méthode est-elle plus sûre que les deux autres ?
3) La valeur obtenue diffère de . Le GBF a une résistance de sortie . Expliquer l'écart.
4) Quelle valeur minimale de faut-il choisir, à donné, pour que fausse la mesure de moins de ?
5) Au bout de combien de temps le condensateur a-t-il perdu de sa charge ? Le vérifier sur le relevé.
Corrigé
La stratégie. Une mesure de ne vaut que par sa robustesse : une lecture en un seul point est sensible à l'erreur sur ce point et ne dit rien de la forme de la courbe. La linéarisation, elle, teste le modèle (la courbe est-elle une exponentielle ?) en même temps qu'elle mesure le paramètre.
1) Trois lectures. En décharge, .
- La tangente à l'origine. Sa pente est ; elle coupe l'asymptote en . Méthode rapide, mais tracer une tangente à la main est imprécis.
- Le point à . . Ici ; par interpolation entre et , on obtient . Méthode précise sur un point, mais elle repose entièrement sur ce point et sur la valeur de .
- La linéarisation. Objet de la question suivante.
2) La droite. En prenant le logarithme : , fonction affine de de pente . Les valeurs de sont :
| (s) | 0 | 25 | 50 | 75 | 100 | 150 | 200 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1,609 | 1,371 | 1,135 | 0,896 | 0,658 | 0,182 |
Les sept points sont alignés (chaque pas de fait baisser d'environ ), ce qui confirme que la décharge est exponentielle. La régression linéaire donne une pente de , soit et une ordonnée à l'origine qui redonne . Cette méthode utilise tous les points, et un point aberrant se voit immédiatement hors de la droite. Elle ne suppose pas connue la valeur finale (ici nulle) : en charge, on linéarise , ce qui exige de connaître — on le lit sur le palier.
3) La résistance cachée. Pendant la décharge, le GBF impose à travers sa résistance de sortie : le condensateur se décharge dans , et L'écart de n'est pas une erreur de mesure : c'est la mesure d'une résistance qu'on avait oubliée. Le désaccord entre théorie et expérience est une information.
4) Rendre négligeable. L'écart relatif est . Pour qu'il soit inférieur à , il faut (à près en valeur relative de , on trouve ). On garde le même en prenant par exemple et . Mais il ne faut pas monter trop haut : vers , c'est la résistance d'entrée de l'oscilloscope qui intervient, comme à l'exercice 2. La bonne valeur de est entre les deux résistances parasites.
5) Perdre . Il reste de la tension (la charge lui est proportionnelle) quand , soit Le relevé est cohérent : , soit de ; il faut un peu plus de pour descendre à .
Ce que l'exercice installe. Le passage au logarithme transforme une exponentielle en droite, et une droite se vérifie d'un coup d'œil : c'est la méthode de mesure d'une constante de temps, qu'on retrouvera pour les décroissances radioactives, les cinétiques chimiques d'ordre 1 et le décrément logarithmique du chapitre suivant. Et une constante de temps mesurée renseigne sur toutes les résistances du circuit, y compris celles des appareils.
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