Théorème de Millman
Le théorème de Millman est une forme particulière de la loi des nœuds exprimée en termes de potentiel. Il est ainsi nommé en l'honneur de l'électronicien ukrainien Jacob Millman.
Énoncé
Dans un réseau électrique de branches en parallèle, comprenant chacune un générateur de tension parfait en série avec un élément linéaire, la tension aux bornes des branches est égale à la somme des forces électromotrices respectivement multipliées par l'admittance de la branche, le tout divisé par la somme des admittances.
On appelle <math>Y_k</math> l'admittance correspondant à l'inverse de l'impédance <math>Z_k</math> (<math>Y_k = \frac{1}{Z_k}</math>).
<math>V_M=\frac{\displaystyle\sum_{k=1}^N\alpha_k E_k.Y_k}{\displaystyle\sum_{k=1}^N Y_k}=\frac{\displaystyle\sum_{k=1}^N \alpha_k\frac{E_k}{Z_k}}{\displaystyle\sum_{k=1}^N \frac{1}{Z_k}}</math>. Avec <math>\alpha_k=\pm1</math> selon le sens du courant .
Dans le cas particulier d'un réseau électrique composé de résistances :
<math>V_M=\frac{\displaystyle\sum_{k=1}^N \alpha_k E_k.G_k}{\displaystyle\sum_{k=1}^N G_k}=\frac{\displaystyle\sum_{k=1}^N \alpha_k\frac{E_k}{R_k}}{\displaystyle\sum_{k=1}^N \frac{1}{R_k}}</math>. Avec <math>\alpha_k=\pm1</math> selon le sens du courant .
Avec G, la conductance.
On peut aussi le généraliser avec des générateurs de courants. S'il y a, toujours en parallèle, des courants <math> Ig_k </math> (par exemple les courants provenant des générateurs de courant) connus injectés vers le même point M, alors on peut écrire :
<math>V_M=\frac{\displaystyle\sum_{k=1}^N E_k.G_k+\sum_{k=1}^P Ig_k}{\displaystyle\sum_{k=1}^N G_k}=\frac{\displaystyle\sum_{k=1}^N \frac{E_k}{R_k}+\sum_{k=1}^P Ig_k}{\displaystyle\sum_{k=1}^N \frac{1}{R_k}}</math>
On remarque que la présence de générateurs de courants ne modifie pas le dénominateur.
Modèle:Boîte déroulante/début On considère le schéma ci-dessus..
Comme les branches (Zk ; Ek) sont en parallèle, on travaille avec les admittances <math>Y_{k}=\frac{1}{Z_{kModèle:Boîte déroulante/fin</math>, ce qui simplifie les calculs. Pour chaque branche (source de tension et impédance), on obtient, d'après la loi d'ohm : <math>I_{k}=Y_{k} \times (E_{k}-V_M)</math> (chaque courant est ainsi orienté vers le haut ; vers le point M)
Ensuite, d'après la loi des nœuds, on a : <math>\sum_{k=1}^N I_{k}=0</math>
Si on généralise avec des générateurs Ig de courants, on commence le même calcul ainsi : <math>\sum_{k=1}^N I_{k}+\sum_{k=1}^P Ig_{k}=0</math>
soit :
<math>\sum_{k=1}^N Y_{k} \times (E_{k}-V_M)+\sum_{k=1}^P Ig_{k}=0</math>
en développant :
<math>\sum_{k=1}^N Y_{k} \times V_M = \sum_{k=1}^N Y_{k} \times E_{k}+\sum_{k=1}^P Ig_{k}</math>
d'où :
<math>V_M = \frac{\displaystyle \sum_{k=1}^N E_{k} . Y_{k} + \sum_{k=1}^P Ig_{k}}{\displaystyle\sum_{k=1}^N Y_{k}}=\frac{\displaystyle\sum_{k=1}^N \frac{E_k}{Z_k} + \sum_{k=1}^P Ig_{k}}{\displaystyle\sum_{k=1}^N \frac{1}{Z_k}}</math> }}
Une démonstration peut en être faite rapidement en utilisant le théorème de Norton : Chaque branche peut être transformée en son générateur de Norton équivalent. La somme des intensités des courants débités par les générateurs de courant traverse alors une conductance égale à la somme des conductances de chaque branche. L’application de la loi d'ohm donne alors la tension à vide aux bornes du dipôle soit la relation donnée par le théorème de Millman.
Exemple
- Sur la figure ci-contre, la tension <math>V_{ab}</math> (ou <math>V_M</math> ), a été calculée en suivant la formule du théorème de Millman:
- <math>V_{ab}=\frac{\dfrac{V_1}{R_1}+\dfrac{V_2}{R_2}+\dfrac{V_3}{R_3}}{\dfrac{1}{R_1}+\dfrac{1}{R_2}+\dfrac{1}{R_3}}</math> <math>=\frac{\dfrac{10}{5}+\dfrac{0}{8}+\dfrac{-12}{3}}{\dfrac{1}{5}+\dfrac{1}{8}+\dfrac{1}{3}} = -\dfrac{240}{79} \approx{} -3V</math>
- Le signe négatif signifie que la tension au point <math>a</math> est négative par rapport à la masse commune.
Autre exemple: Il n'est pas nécessaire que les sources de tension soient parfaites, celles-ci peuvent inclure des résistances même de forte valeur.
- <math>V =\frac{\dfrac{E_1}{R_1+R_2}+\dfrac{E_2}{R_3+R_4}}{\dfrac{1}{R_1+R_2}+\dfrac{1}{R_3+R_4}}</math>
- <math>V =\frac{\dfrac{V_1}{R_1}+\dfrac{V_2}{R_3}}{\dfrac{1}{R_1}+\dfrac{1}{R_3}}</math>
Applications
Ce théorème s'utilise avantageusement si <math>V_M</math> est nulle (par exemple, la tension différentielle d'un AOP en régime linéaire), le dénominateur n'a pas besoin alors d'être formulé.
Énoncé en potentiel
Le théorème de Millman peut également s'écrire en potentiel plutôt qu'en différence de potentiel. <math>V_k</math> ne désigne plus alors la tension mais le potentiel électrique au nœud considéré. Son énoncé est alors simplifié comme suit :
<math display="block">V_M=\dfrac{\displaystyle\sum_{k=1}^{N}\frac{V_k}{Z_k}}{\displaystyle\sum_{k=1}^{N}\frac{1}{Z_k}}</math>
