LE DIPOLE RC SYNTHESE On se contentera donc de noter, pour alléger les notations: qA= q et qB = – q Condensateur On dit que le condensateur est déchargé si q = 0. Lors de la charge d'un condensateur, q augmente progressivement de 0 a une valeur maximale Q. On dit que le condensateur est chargé si q = Q. Description d'un condensateur Un condensateur est un dipôle constitué par deux plaques conductrices en regard, les armatures, séparées par un isolant, le diélectrique. • Relation charge-intensité Ce diélectrique peut être de l'air, du mica … Dans un circuit, le courant électrique est dû à un déplacement ordonné de porteurs de charges ; dans les métaux, ces porteurs de charges sont des électrons. Les condensateurs diffèrent par leur géométrie. Lorsque les armatures sont planes, on parle de «condensateur plan». Dans un circuit électrique, un condensateur plan est symbolisé par : où les deux traits verticaux représentent ses armatures A et B. L'intensité i du courant électrique dans un fil conducteur correspond au débit des charges électriques transportées dans ce fil, c'est-à-dire à la quantité de charge traversant une section de ce fil par unité de temps. Charge et intensité dans un circuit électrique L'intensité d'un courant électrique s'exprime en ampère (A). A B Exemple : Un circuit électrique est parcouru par un courant d'intensité i = 1,0 A. Le nombre d'électrons (de charge – e = – l,6.10–19 C) traversant chaque seconde la section d'un fil conducteur est : i 1,0 n= = = 6,3.1018 e 1,6.10–19 On relie les armatures A et B d'un condensateur à un générateur continu de fém E, qui délivre un courant d'intensité i. i A B + E– On choisit arbitrairement un sens positif pour le courant électrique dans le circuit, représenté par une flèche dirigée vers l'armature A du condensateur, portant la charge q. On représente également par un segment fléché la tension u = uAB aux bornes du condensateur, différence de potentiel entre l'armature positive et l'armature négative. Cette convention d'orientation est appelée convention récepteur. Dans la suite, un condensateur sera systématiquement étudié en convention récepteur. Ce courant ne peut être que transitoire, car le diélectrique ne laissa pas le courant traverser le condensateur. • Charge des armatures Le passage du courant provoque un excès de charges négatives sur l'armature reliée au pôle négatif du générateur, et un défaut de charges négatives équivalent à un excès de charges positives sur l'armature reliée au pôle positif du générateur. i armature A + + +e– + + + + + + + + + charge qA armature B – – – – – – – – – – – – charge qB e– Dans un circuit électrique, les électrons se déplacent en sens opposé au sens conventionnel du courant électrique. À chaque instant, les armatures d'un condensateur portent des charges électriques opposées : qA = – qB. La grandeur positive |qA| = |qB| = q est appelée la charge du condensateur ; elle s'exprime en coulomb (C). CLASSEUR Terminale i A S B qA i u = uAB En convention récepteur, le sens de la flèche représentant la tension uAB aux bornes du condensateur est opposé au sens d'orientation du courant i dans le circuit. Le sens du courant dans le circuit étant choisi arbitrairement, l'intensité i est algébrique: – si le courant passe effectivement dans le sens de la flèche, i est positif ; – si le courant passe effectivement dans le sens opposé à celui de la fléche i est négatif. Agence de CHARLEVILLE MEZIERES LE DIPOLE RC Le courant algébrique i est la dérivée par rapport au temps t de la charge q du condensateur : dq i= avec i en ampère (A) et q en coulomb (C). dt Le signe de l'intensité i est donc lié au sens d’évolution de la charge q : si i > 0, q augmente ; si i < 0, q diminue. Capacité d'un condensateur Le graphe expérimental des variations de la charge qA portée par l'armature A d’un condensateur en fonction de la tension uAB à ses bornes est une droite de pente positive passant par l'origine. À chaque instant, la charge qA de l'armature A du condensateur est proportionnelle à la tension uAB aux bornes du condensateur : qA = C uAB, avec qA en coulomb (C), uAB en volt (V). La grandeur positive C, caractéristique du condensateur, est appelée capacité du condensateur, elle s'exprime en farad (F). On notera plus simplement q = Cu, en veillant à bien utiliser la convention récepteur. Les capacités usuelles sont généralement très inférieures à 1 F, on utilisera donc souvent les sousmultiples du farad : 1 F = 10–6 F ; 1 nF = 10–9 F ; 1 pF =10–12 F. Exemples : – câble coaxial (de longueur l m) : 100 pF ; – flash électronique (appareil photographique) : 10 F – condensateur électrochimique : de 100 mF à 10 F. METHODE Déterminer la capacité d’un condensateur On charge un condensateur de capacité C inconnue dans un circuit où circule une intensité I constante. On relève, grâce au voltmètre, la tension u aux bornes du condensateur à différents instants. Le voltmètre n’est pas traversé par le courant I dans le circuit. V q I K u + – dq • La relation I = s’écrit dq = i dt soit q = It + Q0. dt où Q0 est la charge initiale du condensateur à t = 0. • La relation q = Cu donne It + Q0 = Cu, soit I Q u = t + 0 où C est la capacité du condensateur. C C • On trace le graphe u(t) des variations de la tension u en fonction du temps t. On obtient une droite de pente positive dont on détermine graphiquement la valeur. • On identifie la valeur précédente au rapport I/C et on en déduit la valeur de la capacité C du condensateur. CLASSEUR Terminale S SYNTHESE Le dipôle RC Un dipôle RC est constitué par l'association en série d'un condensateur de capacité C et d'un conducleur ohmique de résistance R. Étude expérimentale d'un circuit RC • Réponse à un échelon de tension On considère le circuit schématisé ci-dessous. Le condensateur est étudié en convention récepteur. À t = 0, on bascule l’interrupteur K de la position (2) à la position (1). E + – i (1) (2) u R K C uR uC La tension u passe brusquement de la valeur 0 à la valeur E : on dit que le dipôle RC est soumis à un échelon de tension E. i(A) u(V) u I0 = E R E uC 0,63 E 0,37I0 0 τ 5τ t (s) 0 τ 5τ t (s) On peut suivre l'évolution du courant i en étudiant la tension uR = Ri aux bornes du conducteur ohmique, proportionnelle à i. – L'intensité i du courant électrique dans le circuit passe brusquement de 0 à une valeur positive I0, puis décroît rapidement jusqu'à 0. – La réponse du condensateur à l'échelon de tension n'est pas immédiate : la tension uC aux bornes du condensateur reste nulle juste après le basculement de l'interrupteur, puis croît ensuite progressivement jusqu'à la valeur limite E. La tension uC aux bornes d'un condensateur ne subit pas de discontinuité. Le courant traverse le circuit pendant la charge du condensateur, puis s'annule lorsque le condensateur est chargé. la charge du condensateur correspond à un régime transitoire (uC et i varient) ; le régime permanent est atteint lorsque le condensateur est chargé (uC = E et i = 0). Agence de CHARLEVILLE MEZIERES LE DIPOLE RC SYNTHESE • Décharge dans une résistance Étude théorique du circuit RC Le circuit précédent étant en régime permanent, on bascule l’interrupteur K en position (2). uC(V) i(A) 5τ τ 0 charge du condensadécharge du teur sous une tension E condensateur E t (s) -0,37I0 expression de uC(t) uC 0,37E – I0 0 τ 5τ t (s) – L'intensité i passe brusquement de 0 à une valeur négative – I0, puis croît rapidement jusqu'à 0. – La tension uC décroît progressivement de la valeur E à la valeur 0. Au cours de la décharge, le courant traverse le circuit en sens opposé de celui qu' il avait durant la charge et s'annule lorsque le condensateur est déchargé. • Le condensateur joue alors le rôle d'un générateur. • La décharge du condensateur correspond à un régime transitoire (uC et i varient); le régime permanent est atteint lorsque le condensateur est déchargé (uC = 0 et i = 0). Constante de temps Le produit τ = RC, exprimé en seconde (s), est appelé constante de temps du dipôle RC. La constante de temps τ donne un ordre de grandeur de la durée de la charge (ou de la décharge) du condensateur. La constante de temps τ ne dépend pas de l'amplitude E de l'échelon de tension appliqué. – Après une durée égale à τ, le condensateur est chargé à 63 % de sa valeur maximale. – Après une durée égale à 5τ, le condensateur est chargé à 99 % de sa valeur maximale : on considère alors que le régime permanent est atteint. Les résultats sont analogues pour la décharge du condensateur. La constante de temps τ correspond à l'abscisse du point d'intersection de la tangente à l'origine à la courbe uC(t) et de l'asymptote horizontale caractérisant le régime permanent. uC(V) u(V) u E E uC 0,63 E uC 0,37E 0 τ équation différentielle régissant l’évolution de uC charge 5τ t (s) CLASSEUR Terminale 0 τ S décharge 5τ t (s) expression de i(t) τ duC + uC = E dt t uC(t) = E 1 e i(t) = t E e R τ duC + uC = 0 dt t uC(t) = E e i(t) = – t E e R On obtient l'expression du courant i dans le circuit en dérivant uC par rapport au temps : t t duC E = ± e = ± I0 e dt R Ces résultats sont bien en accord avec les phénomènes observés expérimentalement. i(t) = C Énergie emmagasinée dans un condensateur Au cours de sa charge, un condensateur emmagasine de l’énergie électrique qu'il restitue au circuit lorsqu'il se décharge. L'énergie électrique Econd emmagasinée par un condensateur de capacité C soumis à la tension uC a pour expression : Econd énergie en joule (J) 1 1 q2C capacité en farad (F) 2 Econd = C uC = 2 2 C uC tension en volt(V) q charge en coulomb (C) Le stockage et le destockage de l'énergie ne peuvent jamais s'effectuer instantanément ; par conséquent, l'énergie Econd ne subit pas de variation brutale. METHODE Établir l’équation différentielle de la charge On considère le circuit électrique schématisé sur I RC 0’. Lors de la charge.du condensateur., l’interrupteur K est en position (1): Le condensateur et le conducteur ohmique sont étudiés en convention récepteur. • On applique la loi des mailles au circuit ; u = uR + uC soit E = Ri + uC • On écrit les relations charge-Intensité et chargetension pour le condensateur : dq i(t) = et q(t) = C uC(t) dt du • On en déduit une relation entre i et uC : i(t) = C C dt • On remplace i dans la loi des mailles : d du E = RC uC + uC = τ C + uC dt dt Agence de CHARLEVILLE MEZIERES