Vue d'ensemble
Après avoir posé charges, courants et tensions (fiche précédente), le chapitre des dipôles est le premier vrai chapitre « calculatoire » d'électrocinétique en MPSI. Tu y apprends à modéliser chaque composant — résistor, bobine, condensateur, sources — par sa caractéristique courant-tension, puis à enchaîner les relations dans un schéma. Cette fiche regroupe les 5 dipôles linéaires fondamentaux, les 4 démonstrations à savoir refaire (énergies stockées dans et , équivalence Thévenin–Norton, puissance moyenne en régime sinusoïdal) et les pièges qui font perdre des points sur les conventions de signe.
Prérequis
- Conventions récepteur/générateur et orientation d'une branche (fiche Électricité 1)
- Loi des mailles, loi des nœuds, notion de puissance instantanée
- Dérivation et intégration élémentaires, formule
Tu confonds encore convention récepteur et convention générateur ? C'est le bug n°1 qui fait basculer une formule juste en formule fausse sur un DS d'électrocinétique. Nos mentors alumni X · Centrale · Mines te font dessiner les schémas, fléchage par fléchage, jusqu'à ce que la convention devienne un réflexe.
Trouver un mentor MPSI →1. Caractéristique courant-tension d'un dipôle
Un dipôle est un composant électrique relié au reste du circuit par deux bornes. Son état électrique est entièrement décrit par deux grandeurs : la tension à ses bornes et l'intensité qui le traverse.
La caractéristique d'un dipôle est l'ensemble des couples compatibles avec son fonctionnement, généralement représentée par une courbe dans le plan . Elle dépend de la convention d'orientation choisie.
- Convention récepteur : et fléchés en sens opposés (la flèche de pointe vers la borne par laquelle entre). Résistor : , .
- Convention générateur : et fléchés dans le même sens. Résistor : , .
Un dipôle est passif s'il ne peut pas fournir de puissance au circuit en régime permanent : sa caractéristique passe par l'origine (à , et réciproquement). C'est le cas du résistor, du condensateur, de la bobine. Un dipôle est actif s'il peut fournir de la puissance : sa caractéristique ne passe pas par l'origine. C'est le cas des sources de tension et de courant.
Un dipôle est linéaire si sa caractéristique courant-tension est une équation affine — ou plus généralement une équation différentielle linéaire à coefficients constants entre , et leurs dérivées. Résistor, bobine et condensateur idéaux sont linéaires ; une diode ne l'est pas.
Un dipôle est symétrique si sa caractéristique est invariante par retournement des bornes, c'est-à-dire par la transformation . Dans le plan , la courbe est alors symétrique par rapport à l'origine. Un résistor est symétrique ; une diode ne l'est pas.
2. Le résistor — loi d'Ohm et effet Joule
Un résistor idéal de résistance (en ohms, Ω) est un dipôle linéaire, passif et symétrique dont la caractéristique en convention récepteur est :
C'est la loi d'Ohm. La grandeur (en siemens, S) est appelée conductance.
En convention récepteur, la puissance instantanée reçue par un résistor vaut :
Cette puissance est toujours positive : un résistor dissipe l'énergie électrique sous forme de chaleur. C'est l'effet Joule.
3. La bobine idéale — inductance L et énergie magnétique
Une bobine idéale d'inductance (en henrys, H) est un dipôle linéaire passif dont la caractéristique en convention récepteur est :
La tension à ses bornes est proportionnelle à la variation temporelle du courant, pas au courant lui-même.
L'énergie magnétique stockée dans une bobine idéale parcourue par un courant vaut :
Démonstration (intégration de la puissance reçue)
Plaçons-nous en convention récepteur. La puissance instantanée reçue par la bobine vaut . On reconnaît la dérivée d'une fonction composée :
Or la puissance reçue est par définition la dérivée temporelle de l'énergie stockée : . On en déduit, à une constante près qu'on fixe à zéro pour (état non excité) :
Cette énergie est toujours positive : la bobine stocke de l'énergie, elle ne la dissipe pas. En régime variable, elle l'échange avec le reste du circuit (charge/décharge).
4. Le condensateur idéal — capacité C et énergie électrique
Un condensateur idéal de capacité (en farads, F) est un dipôle linéaire passif dont la caractéristique en convention récepteur est :
Le courant qui le traverse est proportionnel à la variation temporelle de la tension à ses bornes, pas à la tension elle-même. Le condensateur est le dual de la bobine (échange de rôles , ).
L'énergie électrique stockée dans un condensateur idéal chargé sous une tension vaut :
Démonstration (intégration symétrique de la précédente)
Plaçons-nous en convention récepteur. La puissance instantanée reçue vaut . De nouveau, on reconnaît une dérivée composée :
Comme , on en déduit, en fixant l'origine d'énergie pour (condensateur déchargé) :
Cette énergie est toujours positive : le condensateur stocke l'énergie électrostatique entre ses armatures. À la décharge, il restitue cette énergie au reste du circuit, sans la dissiper (idéal).
Les démos et sont des classiques de khôlle. Mal maîtrisées, elles te coûtent toute la suite (régimes transitoires, RLC, oscillateurs). En 1 séance avec un mentor Majorant alumni de Centrale, tu maîtrises l'intégration par dérivée composée et tu enchaînes sur les circuits réels.
Réserver une séance ciblée →5. Sources et équivalence Thévenin–Norton
5.1 — Sources idéales
Une source de tension idéale de f.é.m. impose à ses bornes une tension constante , quel que soit le courant débité. Sa caractéristique est une droite horizontale dans le plan . C'est un dipôle actif.
Une source de courant idéale d'intensité (parfois noté ou ) impose dans la branche un courant constant , quelle que soit la tension à ses bornes. Sa caractéristique est une droite verticale dans le plan . C'est un dipôle actif, dual de la source de tension idéale.
5.2 — Sources réelles
Une source de tension réelle est modélisée par une source idéale de f.é.m. en série avec une résistance interne . En convention générateur, sa caractéristique courant-tension s'écrit :
C'est une droite affine décroissante. À vide () : (tension à vide). En court-circuit () : (courant de court-circuit).
Une source de courant réelle est modélisée par une source idéale d'intensité en parallèle avec une résistance interne . En convention générateur, la loi des nœuds donne :
À vide : (tension à vide). En court-circuit : (courant de court-circuit).
Tout générateur linéaire admet deux représentations équivalentes (vu de ses deux bornes, c'est-à-dire vu du reste du circuit) :
- Représentation de Thévenin : source idéale en série avec .
- Représentation de Norton : source idéale en parallèle avec .
Les deux modèles décrivent le même dipôle si et seulement si :
Démonstration (par identification tension à vide / courant de court-circuit)
Deux dipôles linéaires sont équivalents (vus de leurs bornes) si et seulement si ils ont la même caractéristique courant-tension. La caractéristique étant affine, il suffit d'identifier deux points particuliers : la tension à vide (à ) et le courant de court-circuit (à ).
Pour le générateur de Thévenin ( en série avec ) :
Pour le générateur de Norton ( en parallèle avec ) :
L'équivalence et impose simultanément et — ces deux relations sont équivalentes et confirment de plus que les résistances internes sont les mêmes dans les deux modèles. Réciproquement, sous ces conditions, les deux caractéristiques affines coïncident sur deux points distincts, donc sont identiques sur toute la droite.
- Identifier le sous-réseau à simplifier et les deux bornes par lesquelles il « voit » le reste du circuit.
- Calculer la tension à vide entre les deux bornes (en débranchant toute charge externe).
- Calculer le courant de court-circuit en reliant les deux bornes par un fil.
- Déduire (résistance équivalente vue des bornes, sources passivées).
- Choisir la représentation Thévenin (, en série) ou Norton (, en parallèle) selon ce qui simplifie le calcul aval.
5.3 — Modèle linéaire d'une diode (vue rapide)
- Bloquée () : , interrupteur ouvert.
- Passante () : , avec – (silicium), souvent négligée. Dipôle non symétrique, archétype du non linéaire.
6. Puissance en régime sinusoïdal forcé
6.1 — Puissance instantanée et puissance moyenne
En convention récepteur, la puissance instantanée reçue par un dipôle à l'instant vaut :
Unité : le watt (W). Elle peut être positive (dipôle qui reçoit) ou négative (dipôle qui fournit).
En régime périodique de période , la puissance moyenne reçue est :
C'est cette grandeur qui caractérise le transfert net d'énergie sur une période (et donc la facture EDF).
6.2 — Valeur efficace et facteur de puissance
La valeur efficace d'un signal de période est définie par :
Cas particulier sinusoïdal : si , alors . C'est cette valeur qui figure sur la prise secteur : « 230 V » signifie , soit d'amplitude crête.
Soient et , où est le déphasage de la tension par rapport au courant. Alors la puissance moyenne reçue par le dipôle vaut :
Le terme est appelé facteur de puissance.
Démonstration (développement de cos·cos puis intégration)
La puissance instantanée est . On linéarise via la formule , appliquée avec et :
Donc :
On intègre sur une période puis on divise par . Le premier terme est constant : sa moyenne vaut . Le second terme est sinusoïdal de pulsation : sa moyenne sur une période (qui contient deux périodes de ) est nulle. Finalement :
En réintroduisant et , le facteur est absorbé : .
- Résistor pur : , , .
- Bobine/condensateur pur : , , (dipôle réactif, échange sans consommer).
- Cas général : , dissipation partielle.
7. Erreurs classiques en copie (vues par les correcteurs)
Ces erreurs sont relevées chaque année dans les rapports de jury (CCINP, Mines-Ponts, Centrale, X-ENS) sur les épreuves d'électrocinétique de 1re année. Elles coûtent en général 0,5 à 2 points par occurrence.
8. Pour aller plus loin
Les dipôles linéaires posent le vocabulaire de toute l'électrocinétique de prépa. Les chapitres qui réinvestissent directement cette fiche :
- Régimes transitoires RC, RL, RLC — La continuité de et donne les conditions initiales ; les ED viennent des caractéristiques de L et C.
- Régime sinusoïdal forcé et impédances complexes — Chaque dipôle reçoit une impédance : , , . Loi d'Ohm complexe .
- Filtrage linéaire — Filtres RC, RL, RLC ; fonction de transfert par diviseur de tension.
- Analogies électromécaniques — Le LC est l'analogue du ressort-masse : , .
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Voir les stages MPSI →Récap final — Ce qu'il faut absolument retenir
À la veille d'une khôlle ou d'un DS sur les dipôles, parcours cette checklist : tu dois pouvoir répondre « oui, sans hésiter » à chaque question.
- Sais-tu distinguer convention récepteur et convention générateur sur un schéma, et en déduire le bon signe dans la loi d'Ohm ?
- Sais-tu énoncer les critères « passif / actif » et « linéaire / non linéaire » et classer chacun des 5 dipôles fondamentaux (R, L, C, source tension, source courant) ?
- Connais-tu par cœur les trois caractéristiques , , — en convention récepteur ?
- Sais-tu démontrer par intégration de la puissance reçue ?
- Sais-tu démontrer symétriquement ?
- Sais-tu énoncer les deux règles de continuité ( continu, continu) et les utiliser pour fixer les conditions initiales d'un transitoire ?
- Sais-tu écrire la caractéristique d'une source de tension réelle, et la duale d'une source de courant réelle ?
- Sais-tu démontrer l'équivalence Thévenin–Norton et la condition ?
- Sais-tu réciter la méthode-type Thévenin–Norton en 5 étapes (, , , choix du modèle) ?
- Connais-tu la définition de la valeur efficace et sais-tu retrouver pour un sinus ?
- Sais-tu démontrer en linéarisant le produit cos·cos ?
- Connais-tu les trois cas limites du facteur de puissance (résistor pur, dipôle réactif pur, cas général) ?
Démonstrations à savoir refaire
- Énergie magnétique — intégration de avec dérivée composée de
- Énergie électrique — démarche symétrique avec dérivée composée de
- Équivalence Thévenin ↔ Norton — identification par tension à vide et courant de court-circuit, condition
- Puissance moyenne en régime sinusoïdal — linéarisation puis moyenne du terme à