Méthode des potentiels de noeud

Durée : 10 mn

Note maximale : 5

Question

Calculer le potentiel électrique au nœud \(C\), le nœud \(A\) étant pris comme origine, en utilisant la méthode des potentiels de nœud de Maxwell.

Données : \(E = 10 \mathrm{ V}\) ; \(r = 100 \mathrm{ } \Omega\) ; \(R_1 = 200 \mathrm{ } \Omega\) ; \(R_2 = 100 \mathrm{ } \Omega\) ; \(R_3 = 100 \mathrm{ } \Omega\) ; \(R_4 = 200 \mathrm{ } \Omega\) ; \(R_5 = 100 \mathrm{ } \Omega\).

Solution

Les intensités dans chacune des branches s'expriment en fonction des potentiels de nœud, avec \(V_A = 0\).

Branche \(AB\) :

\(V_A - V_B = E - r . I\) ; \(\displaystyle{ I = \frac{E - V_B}{r} = g.(E - V_B) }\)

Branche \(AC\) :

\(V_C - V_A = R_1 . I_1\) ; \(\displaystyle{ I_1 = \frac{V_C}{R_1} = G_1 . V_C }\)

Branche \(BC\) :

\(V_B - V_C = R_2 . I_2\) ; \(\displaystyle{ I_2 = \frac{V_B - V_C}{R_2} = G_2 . (V_B - V_C) }\)

Branche \(AD\) :

\(V_D - V_A= R_3 . I_3\) ; \(\displaystyle{ I_3 = \frac{V_D}{R_3} = G_3 . V_D }\)

Branche \(BD\) :

\(V_B - V_D= R_4 . I_4\) ; \(\displaystyle{ I_4 = \frac{V_B - V_D}{R_4} = G_4 . (V_B - V_D) }\)

Branche \(CD\) :

\(V_C - V_D= R_5 . I_5\) ; \(\displaystyle{ I_5 = \frac{V_C - V_D}{R_5} = G_5 . (V_C - V_D) }\)

Remarque : le sens choisi pour \(I_5\) est arbitraire. (2 pts)

L'application de la loi aux nœuds donne :

- en \(B\) : \(I = I_2 + I_4\)

\(g . (E - V_B) = G_2 . (V_B - V_C) + G_4 . (V_B - V_D)\)

- en \(C\) : \(I_2 = I_1 + I_5\)

\(G_2 . (V_B-V_C) = G_1 . V_C+G_5 . (V_C-V_D)\)

- en \(D\) : \(I_4 + I_5 = I_3\)

\(G_4 . (V_B-V_D)+G_5 . (V_C+V_D) = G_3 . V_D\)

Après développement et mise en facteur, il vient :

\((g+G_2+G_4) . V_B-G_2 . V_C-G_4 . V_D = g . E\) \((1)\)

\(- G_2 . V_B + (G_1+G_2+G_5) . V_C +G_5 . V_D = 0\) \((2)\)

\(- G_ 4 . V_B - G_5 . V_C + (G_3 + G_4+G_5) . V_D = 0\) \((3)\)

Pour calculer \(V_C\), 2 méthodes sont possibles :

- exprimer \(V_B\) et \(V_D\) en fonction de \(V_C\) en utilisant les équations \((2)\) et \((3)\), et reporter ces expressions dans \((1)\) [méthode de substitution]

- écrire le système d'équations sous forme matricielle [méthode de Kramer].

Les deux méthodes conduisent à : \(\displaystyle{ V_C = E * \frac{9}{36} = \mathrm{2,5 V} }\) (3 pts)