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Physique · Prépa concours post-bac — ENSA & ENSAM

Dipôle RC

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

  • Relation charge-tension : $q = C \cdot u_C$
  • Relation courant-charge : $i = \frac{dq}{dt}$
  • Loi d'Ohm : $u_R = R \cdot i$
  • Loi d'additivité des tensions : $u_C + u_R = E$ (charge) ou $u_C + u_R = 0$ (décharge).
  • Équation différentielle : $\tau \frac{du_C}{dt} + u_C = E$ avec $\tau = R \cdot C$.
  • Solution : $u_C(t) = E(1 - e^{-t/\tau})$ pour la charge et $u_C(t) = E \cdot e^{-t/\tau}$ pour la décharge.

Méthodes à maîtriser

  • Établir l'équation différentielle en utilisant la loi d'additivité des tensions.
  • Vérifier une solution en la dérivant et en l'injectant dans l'équation.
  • Déterminer $\tau$ graphiquement par la tangente à l'origine ou par la valeur $0,63E$.
  • Calculer l'énergie emmagasinée : $E_e = \frac{1}{2} C u_C^2$.

Exemples corrigés

  • Calcul de $\tau$ : Si $R=1k\Omega$ et $C=100\mu F$, alors $\tau = 10^3 \times 100 \times 10^{-6} = 0,1s$.
  • Dérivée : Pour $u_C(t) = E(1 - e^{-t/\tau})$, alors $\frac{du_C}{dt} = \frac{E}{\tau} e^{-t/\tau}$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier le signe « - » dans l'équation différentielle de décharge.
  • Confondre $i$ et $q$ lors de la dérivation.
  • Ne pas convertir les unités (ex: $mF$ en $F$, $k\Omega$ en $\Omega$).

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Dipôle RC

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Quelle est l'unité de la capacité C ?

❓ Questions fréquentes

Pourquoi le condensateur ne se charge-t-il pas instantanément ?

Le condensateur ne se charge pas instantanément car le courant électrique doit traverser la résistance $R$. Cette résistance limite le débit de charge, ce qui crée une inertie électrique caractérisée par la constante de temps $\tau = RC$.

💡 À retenir : Plus $R$ est grande, plus la charge est lente.

Chno hiya l-far9 bin régime transitoire o régime permanent ?
  1. Le régime transitoire est la phase où les grandeurs électriques ($u_C, i$) varient en fonction du temps.
  2. Le régime permanent est l'état final où les grandeurs deviennent constantes ($u_C = E$ en charge, $u_C = 0$ en décharge).

💡 À retenir : Le régime permanent est atteint théoriquement à $t = 5\tau$.

Comment déterminer graphiquement la constante de temps tau ?
  1. Tracer la tangente à la courbe $u_C(t)$ à l'origine ($t=0$).
  2. L'intersection de cette tangente avec l'asymptote horizontale ($u_C = E$) donne l'abscisse $\tau$.

💡 À retenir : $\tau$ est le temps nécessaire pour atteindre 63% de la charge maximale.

Kifach n7seb l'énergie emmagasinée f-l-condensateur ?

Il suffit d'utiliser la formule $E_e = \frac{1}{2} C u_C^2$. Assure-toi que $C$ est en Farads (F) et $u_C$ en Volts (V) pour obtenir l'énergie en Joules (J).

💡 À retenir : L'énergie dépend du carré de la tension.

Est-ce que le courant i est le même dans tout le circuit ?

Oui, dans un circuit série, le courant $i$ est le même à travers le condensateur et la résistance, car il s'agit d'une seule maille.

💡 À retenir : $i = C \frac{du_C}{dt} = \frac{u_R}{R}$.

Wach l-condensateur kaykhli t-tayar idouz f-l-courant continu ?

Non, une fois chargé en régime permanent, $u_C = E$ (constante), donc $i = C \frac{dE}{dt} = 0$. Le condensateur se comporte comme un interrupteur ouvert.

💡 À retenir : Le condensateur bloque le courant continu.

Quelle est la valeur de la tension aux bornes du condensateur à t = tau lors de la charge ?

En remplaçant $t$ par $\tau$ dans $u_C(t) = E(1 - e^{-t/\tau})$, on obtient $u_C(\tau) = E(1 - e^{-1}) \approx 0,63E$.

💡 À retenir : À $t=\tau$, le condensateur est chargé à 63%.

Pourquoi dit-on que le condensateur est un réservoir d'énergie ?

Parce qu'il stocke de l'énergie sous forme de champ électrostatique entre ses armatures, qu'il peut restituer au circuit lors de la décharge.

💡 À retenir : L'énergie est stockée dans le champ électrique.

Est-ce que la valeur de tau change si on change la tension E ?

Non, $\tau = RC$. Elle ne dépend que des caractéristiques physiques du circuit (résistance et capacité), pas de la tension du générateur.

💡 À retenir : $\tau$ est une constante propre au dipôle RC.

Comment varie l'intensité i(t) pendant la charge ?

L'intensité est maximale à $t=0$ ($i_0 = E/R$) et décroît exponentiellement vers zéro au fur et à mesure que le condensateur se charge.

💡 À retenir : $i(t) = \frac{E}{R} e^{-t/\tau}$.

Qu'arrive-t-il si on court-circuite un condensateur chargé ?

Il se décharge très rapidement à travers le fil, ce qui peut provoquer une étincelle si l'énergie stockée est importante.

💡 À retenir : La décharge est brutale sans résistance.

Quelle est la dimension de tau ?

La dimension de $\tau$ est celle d'un temps (T). En effet, $[RC] = [U/I] \cdot [Q/U] = [Q/I] = [I \cdot T / I] = [T]$.

💡 À retenir : $\tau$ s'exprime toujours en secondes (s).

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un condensateur de capacité $C = 200 \mu F$ est chargé par un générateur de tension $E = 12 V$ à travers une résistance $R$. À $t=0$, on ferme l'interrupteur.

  1. Établir l'équation différentielle vérifiée par $u_C(t)$.
  2. Déterminer la valeur de $R$ sachant que $\tau = 0,4 s$.
  3. Calculer l'énergie emmagasinée en régime permanent.
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Exercice 2

Un condensateur initialement chargé sous $12V$ est déchargé dans un circuit comportant une résistance $R = 100 \Omega$. La courbe de décharge montre qu'à $t = 20 ms$, $u_C = 4,4 V$.

  1. Calculer la constante de temps $\tau$.
  2. En déduire la valeur de la capacité $C$.
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Exercice 3

On considère un circuit RC série. On donne $E=10V, R=1k\Omega, C=100\mu F$.

  1. Déterminer l'expression de $i(t)$ lors de la charge.
  2. Calculer l'intensité à $t = \tau$.
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