Oscillateur
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En physique, un oscillateur est un système manifestant une variation périodique dans le temps (ou pseudo-périodique s'il existe une dissipation d'énergie). Les exemples les plus courants sont utilisés en mécanique classique (pendule, masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps...) au bout d'un ressort,...) et en électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique...), mais on les retrouve également en mécanique quantique (Fille de l'ancienne théorie des quanta, la mécanique quantique constitue le pilier d'un ensemble de théories physiques qu'on regroupe sous l'appellation générale...).

On distingue plusieurs types d'oscillateurs selon leur fonctionnement et leurs effets.

L'oscillateur (En physique, un oscillateur est un système manifestant une variation périodique dans le temps (ou pseudo-périodique s'il existe une dissipation d'énergie). Les...) libre

Un oscillateur libre est un système subissant une force qui a tendance à le ramener vers une position d'équilibre autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter,...) duquel il oscille. C'est le cas d'un pendule (Le mot pendule (nom masculin) nous vient d'Huygens et du latin pendere. Il s'agit donc à l'origine d'un système oscillant sous l'effet de la pesanteur. Parmi les célèbres pendules, c'est sans doute celui de Foucault qui est le plus...) oscillant sous l'effet de la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.).

L'oscillateur forcé

Un oscillateur forcé est un oscillateur libre auquel on ajoute une force oscillante. Une balançoire (La balançoire est un loisir pour les enfants, généralement de plein air, qui consiste à se balancer sur une planche accrochée à un portique.) en est un lorsqu'on balance ses pieds afin de la faire accélérer. En effet, ce balancement constitue une force supplémentaire qui, adaptée à la vitesse (On distingue :) de la balançoire, peut faire monter celle-ci de plus en plus haut.

De nombreux oscillateurs forcés existent en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...). Par exemple, le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) du soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type...) force les électrons des molécules de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) à osciller. Cela a pour conséquence la couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) bleue du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.).

L'oscillateur auto-entretenu

Un oscillateur auto-entretenu utilise une source d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) continue, et produit une variation périodique. On en rencontre deux types, mais cette distinction n'est pas toujours nette (Le terme Nette est un nom vernaculaire attribué en français à plusieurs espèces de canards reconnaissablent à leurs calottes. Le...).

On peut en général résumer leur mécanisme en deux fonctions principales : un gain et un filtre. Le gain est simplement l'amplification (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique.) du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés...) permise par la source d'énergie continue. Le filtre permet de sélectionner une certaine plage de fréquences avec lesquelles le système va osciller.

L'oscillateur quasi-sinusoïdal

Lorsque la variation périodique d'un oscillateur auto-entretenu s'approche d'une sinusoïde, on dit qu'il est quasi-sinusoïdal. Cela correspond à un filtre de très bonne qualité, c'est-à-dire qu'il sélectionne une seule fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de...). C'est pourquoi on observe une sinusoïde. Dans les cas où la qualité de ce filtre n'est pas aussi bonne, cette sinusoïde peut se déformer.

Ce genre d'oscillateurs se rencontre souvent en électricité. C'est le cas d'un oscillateur à pont (Un pont est une construction qui permet de franchir une dépression ou un obstacle (cours d'eau, voie de communication, vallée, etc.) en passant par-dessus cette...) de Wien.

Un exemple plus inattendu est celui du laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain...). En effet un laser produit une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de...) lumineuse sinusoïdale. Le gain est le milieu amplificateur (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique.) et le filtre est la cavité optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) dans laquelle la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet)...) fait des aller-retours.

L'oscillateur de relaxation

Si le système passe périodiquement d'un état bien déterminé à un autre, on dit que c'est un oscillateur de relaxation. Cela peut être obtenu, par exemple, avec un oscillateur quasi-sinusoïdal auquel on fournit un gain très élevé qui va saturer très rapidement la sinusoïde. Celle-ci prend alors la forme de créneaux, ce qui correspond bien au passage d'un état à un autre périodiquement.

Un exemple étonnant est le vase de Tantale, qui, rempli continument par de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), se vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) et se rempli périodiquement. Pour comprendre pourquoi il s'agit d'un oscillateur de relaxation, une étude un peu plus approfondie est nécessaire.

Exemples en électronique

  • Circuit RLC (Un circuit RLC en électrocinétique est un circuit linéaire contenant une résistance électrique, une bobine (inductance) et un condensateur (capacité).)
  • Oscillateur à quartz (voir ces exemples), OCXO
  • Hacheur (Le hacheur ou convertisseur continu - continu est un dispositif de l'électronique de puissance mettant en œuvre un ou plusieurs interrupteurs commandés et qui permet de modifier la valeur de...)
  • Oscillateur Colpitts
  • Oscillateur de Van der Pol
  • Oscillateur de Duffing
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