Guide révision Physique-Chimie Terminale – Dynamique du dipôle RC
Guide révision Physique-Chimie Terminale

Dynamique du dipôle RC

Rappels de 1re, cours complet, démonstrations, méthodes graphiques, linéarisation, QCM interactif et exercices avec solutions masquées.

Physique – Circuits électriques

En résumé

Un circuit RC associe un conducteur ohmique et un condensateur. Après une fermeture d’interrupteur, la tension aux bornes du condensateur n’atteint pas instantanément sa valeur finale : elle évolue selon une loi exponentielle. La constante de temps τ = RC fixe la durée caractéristique de cette évolution.

Rappels nécessairesLoi d’Ohm, lois des mailles et des nœuds, conventions de signe.
Condensateurq = C uC : la charge stockée est proportionnelle à la tension.
Équation différentielleEn charge : RC duC/dt + uC = E.
Méthodesτ se trouve par calcul, tangente, 63 %, 37 % ou linéarisation.

1. Vu en 1re : les circuits électriques

Avant d’étudier le dipôle RC, il faut maîtriser les bases des circuits électriques.

Loi d’Ohm

Aux bornes d’un conducteur ohmique :

uR = R × i
Loi des mailles

Dans une maille fermée, la somme algébrique des tensions est nulle.

Σu = 0
Loi des nœuds

À un nœud, la somme des intensités entrantes égale celle des intensités sortantes.

Σi entrant = Σi sortant
Conseil : dans un exercice de circuit RC, commence toujours par orienter le courant et les tensions, puis indique la convention utilisée.

2. L’intensité du courant électrique

L’intensité du courant est le débit de charge électrique qui traverse une section du circuit.

Définition instantanée

Si la charge q varie au cours du temps :

i = dq / dt
Interprétation

Une intensité positive signifie que la charge augmente dans le sens choisi ; une intensité négative signifie que la charge diminue ou circule en sens opposé.

3. Le condensateur

Un condensateur est formé de deux armatures conductrices séparées par un isolant. Lorsqu’il est chargé, une armature porte +q et l’autre −q.

q = C × uC
Capacité C

Elle mesure l’aptitude du condensateur à stocker des charges. Elle s’exprime en farad.

Ordres de grandeur

On rencontre souvent des capacités en microfarads, nanofarads ou picofarads.

À retenir : plus C est grande, plus le condensateur peut stocker de charges pour une même tension.

4. Le modèle du circuit RC série

Un circuit RC série contient un générateur idéal de tension E, un conducteur ohmique de résistance R et un condensateur de capacité C.

Circuit RC série en charge E R C i(t) uR = R iq = C uCLoi des mailles : E = uR + uC

En charge, si le condensateur est initialement déchargé, le courant est maximal à l’instant initial puis diminue progressivement jusqu’à s’annuler en régime permanent.

5. Charge d’un condensateur : démonstration

En appliquant la loi des mailles :

E = uR + uC

Avec la loi d’Ohm et la relation du condensateur :

uR = R i    et    i = dq/dt = C duC/dt

On obtient l’équation différentielle :

RC × duC/dt + uC = E

Avec la condition initiale uC(0)=0, la solution est :

uC(t) = E(1 − e−t/τ)   avec   τ = RC
Interprétation : uC augmente rapidement au début, puis de plus en plus lentement, jusqu’à tendre vers E.

6. Décharge d’un condensateur : démonstration

Lors de la décharge dans un conducteur ohmique, le générateur n’intervient plus. La loi des mailles conduit à :

uR + uC = 0

En remplaçant uR par Ri et i par C duC/dt, on obtient :

RC × duC/dt + uC = 0

Si uC(0)=U0, la solution est :

uC(t) = U0 e−t/τ
Attention : la forme de la solution dépend toujours de la situation physique et de la condition initiale.

7. Déterminer le temps caractéristique τ

La constante de temps τ = RC peut être déterminée de plusieurs façons.

τcharge : 0,63E à t = τ τdécharge : 0,37U₀ à t = τ
Par le calcul

Si R et C sont connus :

τ = RC
En charge

À t = τ :

uC ≈ 0,63E
En décharge

À t = τ :

uC ≈ 0,37U0

Tangente à l’origine

La tangente à l’origine coupe l’asymptote horizontale en un point dont l’abscisse vaut τ. Cette méthode est très utilisée sur les courbes expérimentales.

8. Méthode par linéarisation

La linéarisation permet de transformer une courbe exponentielle en droite. Pour une décharge :

uC(t) = U0 e−t/τ

En prenant le logarithme :

ln(uC) = ln(U0) − t/τ

La représentation de ln(uC) en fonction du temps est une droite de coefficient directeur :

a = −1/τ
Linéarisation d’une décharge uC(t)=U₀e⁻ᵗ/τ ln(uC)=ln(U₀) − t/τcoefficient directeur = −1/τ
À retenir : si le coefficient directeur vaut a, alors τ = −1/a.

9. Énergie stockée dans un condensateur

Un condensateur chargé stocke de l’énergie électrique. Cette énergie peut ensuite être restituée lors de la décharge.

Eélec = 1/2 × C × uC²

Cette relation explique pourquoi les condensateurs sont utilisés dans de nombreux dispositifs électroniques : flash, capteurs, alimentation, temporisation, filtrage.

Mots-clés à connaître

circuit électriqueloi d’Ohmloi des maillesloi des nœudsintensité du courantcharge électriquecondensateurcapacitéfaradcircuit RCdipôle RCcharge d’un condensateurdécharge d’un condensateurrégime transitoirerégime permanentconstante de tempstauéquation différentiellecondition initialesolution exponentielleexponentielle croissanteexponentielle décroissanteméthode des 63 %méthode des 37 %tangente à l’originelinéarisationcoefficient directeurénergie stockée

Carte mentale de synthèse

Dynamique du dipôle RC
Rappels 1reLoi d’Ohm, mailles, nœuds, conventions.
Condensateurq = C uC, stockage de charges.
ChargeuC = E(1 − e−t/τ).
DéchargeuC = U0 e−t/τ.
ττ = RC, 63 %, 37 %, tangente.
Linéarisationln(uC)=ln(U0)−t/τ.

10. Méthode express

1. SchémaOriente i, uR et uC.
2. Loi des maillesÉcris l’équation électrique.
3. RelationsRemplace uR par Ri et i par CduC/dt.
4. ExploitationUtilise τ, la courbe ou la linéarisation.
Phrase modèle :
Le condensateur est soumis à un régime transitoire. Sa tension évolue selon une loi exponentielle dont la durée caractéristique est τ = RC. Le régime permanent est pratiquement atteint au bout de quelques constantes de temps.

Erreurs fréquentes

Oublier de convertir C.100 µF = 100 × 10⁻⁶ F, pas 100 F.
Confondre charge et décharge.En charge uC augmente ; en décharge uC diminue.
Se tromper de condition initiale.La solution dépend de uC(0).
Dire que τ est la fin exacte du phénomène.τ est une durée caractéristique ; vers 5τ, le régime est presque terminé.
Oublier le signe dans la linéarisation.Pour une décharge, le coefficient directeur est négatif : −1/τ.

QCM interactif

Clique sur une réponse : la case devient verte si c’est juste, rouge si c’est faux.

1. L’intensité du courant électrique correspond…

2. Pour un condensateur, la relation correcte est…

3. La constante de temps d’un dipôle RC vaut…

4. En charge, la tension uC(t) tend vers…

5. En décharge, la tension uC(t) tend vers…

6. À t = τ en charge, uC vaut environ…

7. À t = τ en décharge, uC vaut environ…

8. La linéarisation d’une décharge utilise…

9. Si R augmente et C reste constante, τ…

10. Au bout de 5τ, on considère généralement que…

Mini-entraînement

Essaie d’abord de répondre seul, puis clique sur Soluce.

Exercice 1

Un circuit RC possède R = 10 kΩ et C = 100 µF. Calculer τ.

Correction : R = 10 000 Ω et C = 100×10⁻⁶ F. Donc τ = RC = 1,0 s.

Exercice 2

Un condensateur de capacité 220 µF est chargé sous 6,0 V. Calculer q.

Correction : q = C uC = 220×10⁻⁶ × 6,0 = 1,32×10⁻³ C = 1,32 mC.

Exercice 3

En charge sous E = 12 V, quelle est uC à t = τ ?

Correction : uC ≈ 0,63E = 0,63 × 12 = 7,6 V.

Exercice 4

En décharge, U0 = 8,0 V. Quelle est uC à t = τ ?

Correction : uC ≈ 0,37U0 = 0,37 × 8,0 = 3,0 V.

Exercice 5

La droite ln(uC)=f(t) a pour coefficient directeur −0,25 s⁻¹. Déterminer τ.

Correction : a = −1/τ donc τ = −1/a = −1/(−0,25)=4,0 s.

Exercice 6

Un condensateur de 470 µF est associé à une résistance de 2,2 kΩ. Le régime transitoire est-il plutôt court ou long ?

Correction : τ = RC = 2200 × 470×10⁻⁶ ≈ 1,03 s. Le régime est presque terminé vers 5τ, donc environ 5,2 s.

Conclusion : une page d’exercice RC se traite en combinant circuit, équation différentielle, courbes et exploitation de τ.
Idée-force à mémoriser

Le dipôle RC permet de comprendre comment un système électrique évolue dans le temps : la charge et la décharge ne sont pas instantanées, mais exponentielles.