Centrale Physique Chimie 1 PSI 2018Sujet, corrigé et rapport du jury
- Magnétostatique et milieux ferromagnétiques
- Conversion électro-magnéto-mécanique
- Électrocinétique (ALI, filtrage, diagramme de Bode)
- Thermodynamique des systèmes ouverts
- Mécanique et mécanique des fluides (traînée)
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Présentation du sujet
AccessibleTrains à sustentation magnétique : Transrapid et SCMaglevAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
AccessibleLe sujet étudie la sustentation magnétique des trains Transrapid et SCMaglev en quatre parties indépendantes. Il examine la production d'un champ magnétique intense et son refroidissement, la lévitation par attraction d'un électroaimant à entrefer variable, un capteur de position inductif avec son électronique de conditionnement, puis le bilan énergétique du Transrapid comparé au TGV. Le sujet compte 41 questions, dont plusieurs questions non guidées.
- 1Partie I : réalisation d'un champ magnétique intenseImpossibilité d'un solénoïde résistif, refroidissement à eau par bilan thermique et intérêt des bobines supraconductrices.
- 2Partie II : sustentation électromagnétique du TransrapidChamp dans l'entrefer d'un circuit magnétique ferromagnétique, inductance, force d'attraction et stabilité de la lévitation.
- 3Partie III : capteur de positionCapteur push-pull à entrefer variable, mesure des variations d'inductance, filtrage et diagramme de Bode.
- 4Partie IV : énergétique du TransrapidForce de traînée, puissance consommée par passager et freinage à puissance constante, en comparaison avec le TGV.
Accessible. Le jury juge le sujet de 41 questions, dont de nombreuses questions de cours, de longueur très raisonnable, et note que de nombreux candidats en parcourent l'intégralité.
L'épreuve en chiffres
Moyenne 10,19 / 20 · écart-type 3,59 · 3 529 présents · où vous situez-vous ?Afficher ou masquer la section
L'épreuve en chiffres
- Moyenne
- 10,19/ 20
- Écart-type
- 3,59
- Présents
- 3 529
- Durée
- 4 h
- 1er quartile
- 7,4
- Médiane
- 9,9
- 3e quartile
- 12,6
Votre note sur 20 à ce sujet, en conditions de concours.
Source : document officiel du concours. Notes publiées par le concours (après harmonisation le cas échéant). Courbe : estimation par une loi normale.
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesÉquations de Maxwell mal connues · Théorème d'Ampère écrit avec B au lieu de H · Applications numériques aberrantesAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesBeaucoup de candidats traitent une grande partie des questions, mais la maîtrise du cours est souvent insuffisante : lois connues sans leurs hypothèses ni leur sens. Les applications numériques sont fréquemment fausses ou aberrantes, sans commentaire, et parfois données sans expression littérale. Certaines copies sont d'un niveau remarquable.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Équations de Maxwell mal connuesQ7
L'ARQS n'implique pas un rotationnel de E nul. L'équation de Maxwell-Ampère était attendue avec l'excitation magnétique H.
« Cette question, notée en tout ou rien, n’a été que trop rarement bien traitée. »
- 2Théorème d'Ampère écrit avec B au lieu de HQ6, Q14, Q17
Cette erreur fausse les calculs suivants et oblige à arranger le résultat pour retrouver l'inductance L(z). Les confusions entre μ, μr et μ0 sont fréquentes.
- 3Applications numériques aberrantesQ20, Q21
Erreurs de puissances de 10, conversions kilogrammes et tonnes, et résultats absurdes non commentés.
« Certains candidats trouvent un nombre d’électroaimants de l’ordre du milliard sans en être troublés. »
- 4Premier principe industriel appliqué mécaniquementQ3
Le système est rarement précisé et les hypothèses de travail rarement justifiées.
- 5Filtrage et diagramme de Bode approximatifsQ28, Q30, Q31, Q32
Un diagramme de Bode comporte gain et phase, l'étude asymptotique est souvent bâclée, et la pulsation de coupure est rarement reliée à une atténuation de 3 dB.
« Beaucoup parlent de pulsation propre ou de pulsation de cassure ! »
- 6Mauvaise lecture du bilan énergétiqueQ38, Q39
La masse volumique de la traînée est celle de l'air, un bilan par passager était attendu, et c'est la puissance de freinage qui était constante, pas la force.
« Trop souvent c’est la force de freinage qui a été considérée comme constante. »
Ce qui a été bien réussi
- L'allure des cycles d'hystérésis doux et dur est globalement connue.
- Les questions 24, 26, 27, 34, 35 et 36 de la partie III ont souvent été bien traitées.
- La propriété de flux conservatif est bien repérée en Q8.
- Certains candidats ont proposé une démarche complète et pertinente à la question non guidée Q1.
Conseils du jury
- Ne pas aller trop vite sur les questions proches du cours.
- Annoncer les étapes du raisonnement et justifier les hypothèses dans les questions non guidées.
- Donner d'abord une expression littérale, puis l'application numérique avec un nombre adapté de chiffres significatifs, et la commenter.
- Comparer des grandeurs de même dimension dans une analyse en ordre de grandeur.
Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.
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L'énoncé complet, avec les formules et les figures, sans ouvrir le PDF.Afficher ou masquer la section
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Trains à sustentation électromagnétique
- un train à sustentation électromagnétique dans lequel le train lévite par attraction grâce à des aimants (Transrapid développé en Allemagne) ;
- un train à sustentation électrodynamique dans lequel le train lévite par répulsion grâce aux courants de Foucault induits par le déplacement du train (SCMaglev développé au Japon).
La seule réalisation commerciale du Transrapid est à l'heure actuelle la ligne de 30 kilomètres qui fonctionne depuis 2004 entre Shanghai et son aéroport international de Pudong. Le trajet s'effectue en moins de 8 minutes, à la vitesse moyenne de245 km/h . Sur ce parcours le train atteint la vitesse de430 km/h , il a la capacité d'accélérer de 0 à350 km/h en 2 minutes.
La première version commerciale du SCMaglev doit relier en une heure Tokyo et Osaka, distantes de 400 km à vol d'oiseau. L'ouverture du premier tronçon de la ligne (Tokyo-Nagoya) est prévu en 2027 avec une vitesse de pointe sur le parcours de505 km/h . En 2015 une rame de test de sept voitures a atteint la vitesse de603 km/h , établissant ainsi l'actuel record de vitesse pour un train.

Certaines questions, repérées par une barre en marge, ne sont pas guidées et demandent de l'initiative de la part du candidat. Les pistes de recherche doivent être consignées par le candidat sur sa copie ; si elles sont pertinentes, elles seront valorisées. Le barème tient compte du temps nécessaire pour explorer ces pistes et élaborer un raisonnement, il valorise ces questions de façon très significative.
Des données utiles, un formulaire et deux annexes sont regroupés en fin d'énoncé.
I Réalisation d'un champ magnétique intense
Q 1. Expliquer pourquoi il n'est pas possible de réaliser un tel champ magnétique avec un solénoïde constitué d'un fil résistif. Pour répondre à cette question, vous pourrez vous appuyer sur les données fournies en annexe 1. Vous préciserez clairement les différentes étapes de votre raisonnement.
On se propose d'évacuer la puissance produite par la bobine avec un refroidissement à eau.
Q 2. Proposer une valeur maximale acceptable de la différence de température entre la bobine et l'eau. En déduire la valeur minimum de la surface de contact entre la bobine et l'eau.
Q 3. Quel débit d'eau faudrait-il assurer pour évacuer la puissance thermique produite par la bobine ?
Q 4. Commenter et conclure quant à la faisabilité d'un tel refroidissement.
Q 5. En quoi l'utilisation de bobines supraconductrices permet-elle la création de champs magnétiques très intenses?
II La sustentation électromagnétique du Transrapid
II.A - Modélisation du champ magnétique dans l'entrefer
- d'une portion de rail (1) en matériau ferromagnétique doux de perméabilité relative
μ_r ; - d'une portion (2) solidaire de la rame, constituée du même matériau ferromagnétique, sur lequel sont bobinées
N spires alimentées par un courant d'intensitéi(t) .
Les deux portions sont séparées par un entrefer de largeurz variable. La sectionS du matériau ferromagnétique dans les portions (1) et (2) du circuit magnétique est supposée commune aux portions (1) et (2), constante le long du circuit magnétique et carrée de côtéa : S = a^2 . (C) est une ligne de champ magnétique du circuit (figure 2).

.jpg)
- les milieux ferromagnétiques sont supposés doux ;
- on néglige les pertes par courants de Foucault ;
- toutes les lignes de champ sont canalisées par le circuit magnétique.
-
B⃗_1 le champ magnétique dans la portion (1); -
B⃗_2 le champ magnétique dans la portion (2);
− B⃗_a le champ magnétique dans les entrefers; -
z la largeur, variable, des entrefers entre les deux portions ferromagnétiques du circuit magnétique (l'origineO sur l'axe descendant (O, u⃗_x ) est choisie sur le rail fixe) ; -
ℓ la longueur moyenne de la partie de la ligne de champ (C) située à l'intérieur des portions ferromagnétiques (1) et (2) du circuit.
II.A.1)
Q 7. Rappeler les équations de Maxwell valables dans un milieu ferromagnétique dans le cadre de l'approximation des régimes quasi-stationnaires (ARQS).
II.A.2)
Q 9. En déduire les relations liant
Q 10. À quelle condition, supposée vérifiée ici, les lignes de champ restent-elles parallèles dans l'entrefer ?
II.A.3)
Q 12. Quelle relation lie alors le champ magnétique
Q 13. Définir la perméabilité relative et en donner un ordre de grandeur pour un milieu ferromagnétique doux.
II.A.4)
Q 15. En déduire
Q 16. Simplifier cette écriture en utilisant la question 12.
II.B - Lévitation par attraction
Q 17. Montrer que l'inductance propre
Q 18. Rappeler l'expression de l'énergie magnétique emmagasinée dans la bobine d'inductance
Q 19. En déduire la force électromagnétique
Q 20. Calculer la masse
Q 21. Une rame a une masse d'environ 180 tonnes. En déduire le nombre d'électroaimants nécessaires pour la sustentation de la rame. On donne :
Q 22. Montrer que le système de sustentation électromagnétique est instable.
III Capteur de position
III.A - Capteur à entrefer variable «push-pull»
.jpg)
On envisage une variation
Q 24. Écrire les inductance
III.B - Mesure des variations d'inductance

Ces tensions sont placées à l'entrée du montage présenté figure 5. L'ALI est supposé idéal en fonctionnement linéaire.
.jpg)
Q 27. Exprimer la fonction de transfert complexe
Q 28. Tracer le diagramme de Bode asymptotique de
Q 29. De quel type de filtre s'agit-il ?
Q 31. Dans quelle gamme de fréquences doit-on travailler pour que
On a
Q 32. Montrer que le signal de sortie peut se mettre sous la forme
Q 33. Exprimer et calculer le déphasage
III.C - Électronique de conditionnement

Q 35. Quel montage doit-on placer à la sortie du multiplieur pour récupérer une tension continue
Q 36. Exprimer la sensibilité du capteur définie par
Q 37. Application numérique Le capteur permet de mesurer la tension de sortie à 10 mV près. En déduire le plus petit écart relatif mesurable par rapport à la position d'équilibre. On prendra
IV Énergétique du Transrapid
Le constructeur indique que la distance de freinage du Transrapid est de
Q 39. En déduire la puissance de freinage, supposée constante au cours du freinage, en négligeant la trainée aérodynamique du train devant la force de freinage.
Q 40. Toujours dans la même approximation, calculer la valeur moyenne de la puissance de la trainée aérodynamique du train pendant la durée du freinage et la comparer à la puissance de freinage déterminée à la question précédente.
Q 41. Commenter la qualité de l'approximation utilisée.
Données et formulaire
Charge élémentaire
Intensité du champ de pesanteur terrestre
Capacité thermique massique de l'eau liquide
Annexe 1
Caractéristiques du solénoïde
| Diamètre
|
Longueur
|
Nombre de spires
|
Diamètre du fil de cuivre
|
|
|
|
10000 |
|
Données sur le cuivre
Capacité thermique massique
Résistivité électrique
Température de fusion
Annexe 2
Données comparatives Transrapid - TGV
| Transrapid | TGV duplex | |
| Masse (tonnes) | 190 | 390 |
| Nombre de places | 310 | 510 |
| Longueur (m) | 79,7 | 200 |
| Puissance d'une motrice (kW) | 8800 | |
| Composition du train | 3 voitures motrices | motrice - 8 voitures - motrice |
| Type de moteur | Moteur synchrone linéaire | Moteur rotatif asynchrone embarqué dans la motrice |
| Alimentation | Sous-stations réparties sur la voie | Caténaire |
| Section aérodynamique (
|
11 | 12 |
|
|
0,24 | 0,35 |
D'après «Techniques de l'ingénieur - Ingénierie des transports | Systèmes ferroviaires»

Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet Centrale Physique-Chimie 1 PSI 2018 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet Centrale Physique-Chimie 1 PSI 2018 ?
Sur le magnétisme et le ferromagnétisme, la conversion électro-magnéto-mécanique, les circuits électriques et le filtrage, la thermodynamique et la mécanique des fluides, autour des trains à sustentation magnétique.
Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées en Centrale Physique-Chimie 1 PSI 2018 ?
Des équations de Maxwell mal citées, le théorème d'Ampère écrit avec B au lieu de H, des applications numériques aberrantes non commentées, un diagramme de Bode incomplet et une force de freinage supposée constante à tort.
Le sujet Centrale Physique-Chimie 1 PSI 2018 est-il long ?
Selon le rapport, ses 41 questions forment un sujet de longueur très raisonnable pour la durée de l'épreuve, et de nombreux candidats l'ont parcouru en entier.
Comment traiter les questions non guidées de Centrale Physique-Chimie 1 PSI 2018 ?
Le jury apprécie qu'on annonce les étapes du raisonnement avant de calculer et qu'on explicite les hypothèses simplificatrices, comme celle du solénoïde infini en Q1.
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