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Physique-ChimieTerminale🌊 Thème 3Chapitre 20Démonstration🔴 Essentiel

Établir l'équation différentielle de la charge d'un condensateur (circuit RC)

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1.Objectif

Obtenir l'équation vérifiée par la tension uC(t) aux bornes d'un condensateur qui se charge à travers une résistance R sous une tension constante E.

2.Prérequis

  • Loi des mailles
  • Loi d'Ohm : uR = R·i
  • Relation q = C·uC
  • Intensité : i = dq/dt

3.Situation physique

Un générateur idéal de tension constante E, un conducteur ohmique R et un condensateur de capacité C (initialement déchargé) sont en série. À t = 0, on ferme l'interrupteur. On oriente le courant i dans le sens de charge, en convention récepteur pour R et C.

Charge d'un condensateur
t (s)uC (V)0,51,01,52,0E = 5 Vτ0,63 E

τ = R·C = 0,221 s · condensateur chargé à 99 % après 5τ = 1,10 s.

uC(t) tend vers E ; τ = RC est atteint quand uC = 0,63 E.

4.Démonstration étape par étape

Étape 1

Loi des mailles

Les trois dipôles sont en série : la tension du générateur se répartit entre la résistance et le condensateur. C'est la relation de départ qui relie les grandeurs du circuit.

E = uR + uC

Étape 2

Loi d'Ohm

On exprime uR avec l'intensité, en convention récepteur, pour faire apparaître le courant qui charge le condensateur.

uR = R·i
donc E = R·i + uC

Étape 3

Lien entre courant et charge

Le courant est le débit de charge qui arrive sur l'armature : i = dq/dt. Avec q = C·uC et C constante, on peut tout écrire avec uC seule.

i = dqdt = C · duCdt

Étape 4

Équation différentielle

On remplace i dans la loi des mailles, puis on divise par RC pour obtenir la forme usuelle et faire apparaître τ = RC.

E = RC · duCdt + uC
duCdt + uCRC = ERC

5.Interprétation physique

Plus uC se rapproche de E, plus la tension aux bornes de R diminue, donc plus le courant et la vitesse de charge diminuent : la charge ralentit d'elle-même. Le produit RC fixe l'échelle de temps du phénomène.

6.Résultat final

duCdt + uCτ = Eτ
avec τ = RC (en s)

7.Conditions de validité

  • Générateur idéal de tension constante E
  • R et C constants
  • Orientation du courant dans le sens de la charge (convention récepteur pour R et C)

8.Erreurs fréquentes

  • Oublier que dq/dt = C·duC/dt suppose C constante.
  • Se tromper de signe à cause d'une orientation incohérente de i.
  • Croire que τ s'exprime en Ω·F « sans unité » : Ω·F = s.

9.À retenir

  • ✓ Loi des mailles + loi d'Ohm + i = C·duC/dt.
  • ✓ Forme : duC/dt + uC/τ = E/τ.
  • ✓ τ = RC, en secondes.

10.Mini-vérification

Quelle loi utilise-t-on à l'étape 1 ?

La loi des mailles : E = uR + uC.

Pourquoi peut-on écrire dq/dt = C·duC/dt ?

Parce que la capacité C est constante.

Quelle est l'unité de RC ?

La seconde (Ω·F = s).

Exercices associés

10 exercices corrigés du chapitre 20 pour t'entraîner.

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Sources : Programme officiel de Terminale spécialité Physique-Chimie (Éduscol). Contenu reformulé pour Phylo.