Loi des mailles et résolution de l'équation différentielle

La loi des mailles est un principe fondamental pour analyser les circuits électriques. Dans le cas du circuit RC série, elle s'exprime comme suit :

E - UR - UC = 0

où E est la tension d'alimentation, UR la tension aux bornes de la résistance et UC la tension aux bornes du condensateur.

Vocabulaire: La loi d'Ohm relie la tension aux bornes de la résistance à l'intensité du courant : UR = R × I

En combinant la loi des mailles, la loi d'Ohm et les relations du condensateur, on obtient l'équation différentielle caractéristique du circuit RC série :

RC × (dUc/dt) + Uc = E

Highlight: La résolution de cette équation différentielle permet de déterminer l'évolution temporelle de la tension aux bornes du condensateur.

La solution générale de cette équation différentielle est de la forme :

Uc(t) = K × e^(-t/RC) + E

où K est une constante déterminée par les conditions initiales.

Exemple: Pour un condensateur initialement déchargé (Uc(0) = 0), la solution devient : Uc(t) = E(1 - e^(-t/RC))

Cette expression décrit la charge progressive du condensateur, avec une asymptote à la valeur E pour t tendant vers l'infini.

Décharge du condensateur et constante de temps

Le phénomène de décharge d'un condensateur dans un circuit RC série est tout aussi important que sa charge. Lorsque le condensateur préalablement chargé est connecté à une résistance, la tension à ses bornes décroît progressivement de E à 0.

Définition: La décharge du condensateur correspond au transfert de l'énergie stockée dans son champ électrique vers la résistance, où elle est dissipée sous forme de chaleur.

L'équation différentielle décrivant la décharge du condensateur est similaire à celle de la charge, mais avec E = 0 :

RC × (dUc/dt) + Uc = 0

Formule: La solution de cette équation pour la décharge est : Uc(t) = E × e^(-t/RC)

Un concept crucial dans l'étude des circuits RC est la constante de temps τ (tau), définie par :

τ = R × C

Highlight: La constante de temps τ caractérise la rapidité des phénomènes transitoires dans le circuit RC. Elle s'exprime en secondes.

Quelques propriétés importantes liées à la constante de temps :

• Après une durée égale à τ, le condensateur a atteint environ 63% de sa charge finale lors de la charge, ou a perdu environ 63% de sa charge initiale lors de la décharge.
• Au bout de 5τ, on considère que le condensateur est pratiquement totalement chargé ou déchargé (99,3% de la valeur finale).

Exemple: Pour un circuit RC avec R = 10 kΩ et C = 100 µF, la constante de temps est τ = 10 × 10^3 × 100 × 10^-6 = 1 s. La charge ou la décharge sera quasiment complète après 5 s.

La compréhension du comportement des circuits RC est essentielle dans de nombreuses applications, telles que les filtres, les oscillateurs, ou les circuits de temporisation.