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Mesure, radioactivité et circuit RC · Circuit RC

Charge et décharge d'un condensateur

Tu prends une photo avec flash dans une pièce sombre : le flash met quelques secondes à « se recharger », puis éclaire en une milliseconde. Comment un même composant peut-il se charger lentement et se décharger si vite ? La réponse tient en une grandeur : le temps caractéristique $\tau = RC$.

Le condensateur : charge et énergie

Un condensateur est formé de deux armatures conductrices séparées par un isolant. Quand on le soumet à une tension $u_C$, l'armature reliée au pôle $+$ porte une charge $+q$ et l'autre une charge $-q$.

Le farad est une très grande unité : on utilise le mF, le $\mu$F, le nF et le pF ($1\ \mu\text{F} = 10^{-6}\ \text{F}$).

Schéma d'un condensateur : deux armatures portant les charges +q et −q, avec la tension u_C et le courant i. +q −q i uC = q / C

L'énergie emmagasinée dans le condensateur est

$$E_C = \dfrac{1}{2}\,C\,u_C^2$$
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Un condensateur de capacité $C = 470\ \mu\text{F}$ est soumis à une tension $u_C = 12\ \text{V}$. a) Rappeler la relation entre la charge $q$, la capacité $C$ et la…

Un condensateur de capacité $C = 470\ \mu\text{F}$ est soumis à une tension $u_C = 12\ \text{V}$.

  1. a) Rappeler la relation entre la charge $q$, la capacité $C$ et la tension $u_C$.
  2. b) Calculer la charge $q$ portée par l'armature positive.
  3. c) Calculer l'énergie emmagasinée $E = \dfrac{1}{2}Cu_C^2$.
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Charge d'un condensateur à travers une résistance

On branche un condensateur initialement déchargé, en série avec un conducteur ohmique $R$, aux bornes d'un générateur idéal de tension $E$. À $t = 0$ on ferme l'interrupteur.

Circuit de charge : générateur E, résistance R et condensateur C en série, avec u_R et u_C. + − interrupteur R C E uR uC i

Au début, $u_C = 0$ : le courant est maximal. Puis le condensateur se charge, $u_C$ augmente, le courant diminue. À la fin, $u_C = E$ et $i = 0$.

On en déduit l'intensité : $i(t) = C\,\dfrac{\mathrm{d}u_C}{\mathrm{d}t} = \dfrac{E}{R}\,e^{-t/\tau}$.

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Un condensateur de capacité $C$ est chargé par un générateur idéal de tension $E$ à travers un conducteur ohmique de résistance $R$. À $t = 0$, $u_C = 0$. a) Établir…

Un condensateur de capacité $C$ est chargé par un générateur idéal de tension $E$ à travers un conducteur ohmique de résistance $R$. À $t = 0$, $u_C = 0$.

  1. a) Établir l'équation différentielle vérifiée par $u_C(t)$.
  2. b) Vérifier que $u_C(t) = E\left(1 - e^{-t/\tau}\right)$ est solution et exprimer $\tau$.
  3. c) Calculer $\tau$ pour $R = 10\ \text{k}\Omega$ et $C = 47\ \mu\text{F}$.
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Le temps caractéristique τ

$\tau = RC$ s'exprime en secondes : $\Omega \cdot \text{F} = \text{s}$. Plus $\tau$ est grand, plus la charge est lente.

Courbe de charge u_C(t) : tangente à l'origine coupant l'asymptote E en t = τ, où u_C vaut 63 % de E. E τ 0,63 E à t = τ t uC

Valeurs à connaître :

$t$ $\tau$ $2\tau$ $3\tau$ $5\tau$
$u_C / E$ 63 % 86 % 95 % 99,3 %

On considère donc le condensateur chargé au bout de $5\tau$.

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Un circuit comporte un conducteur ohmique de résistance $R = 2,2\ \text{k}\Omega$ en série avec un condensateur de capacité $C = 100\ \mu\text{F}$. a) Donner…

Un circuit comporte un conducteur ohmique de résistance $R = 2,2\ \text{k}\Omega$ en série avec un condensateur de capacité $C = 100\ \mu\text{F}$.

  1. a) Donner l'expression du temps caractéristique $\tau$ du circuit.
  2. b) Calculer $\tau$ en secondes.
  3. c) Donner la durée approximative au bout de laquelle le condensateur est considéré comme chargé (environ $5\tau$).
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Un condensateur initialement déchargé est chargé à travers une résistance par un générateur de tension constante $E = 6,0\ \text{V}$. La tension à ses bornes vaut…

Un condensateur initialement déchargé est chargé à travers une résistance par un générateur de tension constante $E = 6,0\ \text{V}$. La tension à ses bornes vaut $u_C(t) = E\left(1 - e^{-t/\tau}\right)$ avec $\tau = 0,50\ \text{s}$.

  1. a) Calculer $u_C$ à $t = \tau$.
  2. b) Calculer $u_C$ à $t = 5\tau$.
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On étudie la charge d'un condensateur par un générateur de $E = 5,0\ \text{V}$ à travers $R = 4,7\ \text{k}\Omega$. On relève $u_C = 3,16\ \text{V}$ à…

On étudie la charge d'un condensateur par un générateur de $E = 5,0\ \text{V}$ à travers $R = 4,7\ \text{k}\Omega$. On relève $u_C = 3,16\ \text{V}$ à $t = 0,10\ \text{s}$.

  1. a) Établir l'expression de $u_C(t)$ puis celle de $i(t)$.
  2. b) Déterminer $\tau$ à partir de la mesure, puis la capacité $C$.
  3. c) Calculer l'intensité du courant à $t = 0,10\ \text{s}$.
  4. d) Montrer que la tangente à l'origine de $u_C(t)$ coupe l'asymptote $u_C = E$ en $t = \tau$.
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Décharge d'un condensateur

Le condensateur, chargé sous la tension $U_0$, est relié à la seule résistance $R$ (le générateur est déconnecté). Loi des mailles : $u_R + u_C = 0$, soit $RC\,\dfrac{\mathrm{d}u_C}{\mathrm{d}t} + u_C = 0$, c'est-à-dire

$$\dfrac{\mathrm{d}u_C}{\mathrm{d}t} + \dfrac{1}{\tau}\,u_C = 0$$

Solution : $u_C = A\,e^{-t/\tau}$. Comme $u_C(0) = U_0$, on a $A = U_0$.

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Un condensateur de $2,2\ \text{mF}$ chargé sous $9,0\ \text{V}$ se décharge à travers une résistance $R = 1,5\ \text{k}\Omega$. À $t = 0$, $u_C = 9,0\ \text{V}$. a)…

Un condensateur de $2,2\ \text{mF}$ chargé sous $9,0\ \text{V}$ se décharge à travers une résistance $R = 1,5\ \text{k}\Omega$. À $t = 0$, $u_C = 9,0\ \text{V}$.

  1. a) Établir l'équation différentielle vérifiée par $u_C$ pendant la décharge et donner sa solution.
  2. b) Calculer $\tau$.
  3. c) Calculer la tension à $t = 5,0\ \text{s}$.
  4. d) Calculer l'instant où $u_C = 1,0\ \text{V}$.
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Aspects énergétiques et applications

Pendant la décharge, l'énergie stockée $E_C(t) = \dfrac12 C\,u_C^2 = \dfrac12 C U_0^2\,e^{-2t/\tau}$ diminue. Elle est dissipée par effet Joule dans $R$ : la puissance $p = R\,i^2 = \dfrac{u_C^2}{R}$ intégrée de $0$ à l'infini redonne exactement $\dfrac12 C U_0^2$.

Cette décroissance est deux fois plus rapide que celle de $u_C$ (constante de temps $\tau/2$).

Pour tracer $u_C(t)$ avec Python :

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt

R, C, U0 = 100, 1.0e-3, 10

tau = R * C

t = np.linspace(0, 5 * tau, 200)

uC = U0 * np.exp(-t / tau)

plt.plot(t, uC)

plt.xlabel("t (s)")

plt.ylabel("u_C (V)")

plt.show()
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Le flash d'un appareil photo est alimenté par un condensateur de $C = 150\ \mu\text{F}$ chargé sous $300\ \text{V}$. Le flash décharge le condensateur à travers la lampe…

Le flash d'un appareil photo est alimenté par un condensateur de $C = 150\ \mu\text{F}$ chargé sous $300\ \text{V}$. Le flash décharge le condensateur à travers la lampe en $1,0\ \text{ms}$ environ, assimilée à un conducteur ohmique de résistance $R$, avec $5\tau \approx 1,0\ \text{ms}$.

  1. a) Calculer l'énergie stockée dans le condensateur.
  2. b) Estimer la résistance équivalente $R$ de la lampe.
  3. c) Calculer la puissance moyenne délivrée pendant le flash.
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Un capteur capacitif d'humidité est modélisé par un condensateur plan dont la capacité varie avec l'humidité : $C = 180\ \text{pF}$ à $30\ \%$ et $C = 220\ \text{pF}$ à…

Un capteur capacitif d'humidité est modélisé par un condensateur plan dont la capacité varie avec l'humidité : $C = 180\ \text{pF}$ à $30\ \%$ et $C = 220\ \text{pF}$ à $70\ \%$. Il est monté en série avec $R = 1,0\ \text{M}\Omega$ et alimenté par un échelon de tension de $E = 3,3\ \text{V}$.

  1. a) Calculer le temps caractéristique pour chaque humidité.
  2. b) Calculer, pour chacun des deux cas, la durée $t_{90}$ nécessaire pour que $u_C$ atteigne $90\ \%$ de $E$.
  3. c) Expliquer comment un microcontrôleur peut en déduire l'humidité.
  4. d) Discuter l'influence de la résistance $R$ sur la précision de la mesure.
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Un condensateur de capacité $C = 1,0\ \text{mF}$ est chargé sous $E = 10\ \text{V}$ puis déconnecté du générateur et relié à un conducteur ohmique $R = 100\ \Omega$. a)…

Un condensateur de capacité $C = 1,0\ \text{mF}$ est chargé sous $E = 10\ \text{V}$ puis déconnecté du générateur et relié à un conducteur ohmique $R = 100\ \Omega$.

  1. a) Établir l'expression de l'énergie $E_C(t)$ stockée dans le condensateur au cours de la décharge.
  2. b) Montrer que l'énergie dissipée par effet Joule entre $t = 0$ et $t \to \infty$ est égale à l'énergie initialement stockée.
  3. c) Calculer la durée au bout de laquelle l'énergie stockée est divisée par $10$.
  4. d) Écrire un programme Python simple qui trace $u_C(t)$ pour $t$ de $0$ à $5\tau$.
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L'essentiel

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