
Vingt exercices sur le circuit RC : condensateur, constante de temps, équation différentielle, lecture de courbes de charge et de décharge, énergie et problèmes de synthèse. Les valeurs numériques nécessaires sont rappelées ; travaille avant d’ouvrir le corrigé séparé.
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Les exercices sur le circuit RC
Exercice 1 : Questions de cours1. Quelle relation lie la charge q d’un condensateur à la tension uC à ses bornes ?
2. Donne l’unité de la capacité C et celle de la constante de temps τ.
3. Exprime l’intensité i en fonction de uC et de C.
4. Que représente la constante de temps τ dans un circuit RC ?
Justifie chaque réponse.
a. En régime permanent, un condensateur chargé se comporte comme un interrupteur fermé.
b. La tension aux bornes d’un condensateur est continue au cours du temps.
c. Si on double R, la constante de temps double.
d. À t = τ, la tension de charge atteint 100 % de E.
e. L’énergie stockée est proportionnelle à uC.
f. À la décharge, l’intensité du courant change de sens par rapport à la charge.
Un générateur idéal de tension E alimente en série une résistance R et un condensateur C initialement déchargé, par la fermeture d’un interrupteur.
1. Reproduis le schéma et flèche uR et uC en convention récepteur.
2. Écris la loi des mailles.
3. Exprime uR puis i en fonction de uC ; déduis l’équation différentielle vérifiée par uC.
4. Que valent uC, uR et i juste après la fermeture ?
1. Vérifie que le produit R × C a la dimension d’une durée à l’aide des relations u = R × i et q = C × u.
2. Calcule τ pour R = 47 kΩ et C = 2,2 µF.
3. Calcule τ pour R = 1,0 MΩ et C = 10 nF.
4. Quelle résistance faut-il avec C = 470 µF pour obtenir τ = 0,50 s ?
Un condensateur de capacité 470 µF est chargé sous une tension de 12 V.
1. Calcule la charge q portée par l’armature positive.
2. Calcule l’énergie stockée.
3. Quelle est la nouvelle énergie si la tension est doublée ? Commente.
Un condensateur initialement déchargé est chargé par E = 9,0 V à travers un circuit de constante de temps τ = 2,0 s.
1. Calcule uC aux instants t = 1,0 s, 2,0 s et 6,0 s.
2. À quel instant uC atteint-elle 90 % de E ?
3. Calcule l’intensité du courant à l’instant t = 0 si R = 20 kΩ.
On relève la tension uC aux bornes d’un condensateur en charge dans un circuit où R = 2,0 kΩ.
1. Quelle est la valeur de la tension E du générateur ?
2. Détermine τ par la méthode des 63 %.
3. Trace la tangente à l’origine et retrouve τ.
4. Calcule la capacité C du condensateur.
Un condensateur chargé sous E = 8,0 V se décharge dans une résistance ; la constante de temps vaut τ = 0,30 s.
1. Écris l’expression de uC(t).
2. Calcule uC à t = τ puis à t = 0,60 s.
3. Calcule la durée au bout de laquelle uC = 1,0 V.
1. Montre que uC(t) = E × e−t÷τ est solution de R × C × duC ÷ dt + uC = 0 lorsque τ = R × C.
2. Montre que uC(t) = E × (1 − e−t÷τ) est solution de R × C × duC ÷ dt + uC = E.
3. Vérifie que la condition initiale uC(0) = 0 est satisfaite par la seconde solution.
Un circuit RC série comporte R = 1,0 kΩ et C = 22 µF ; le condensateur est initialement déchargé.
1. Calcule τ.
2. Exprime en fonction de τ la durée au bout de laquelle uC = 0,95 E, puis uC = 0,99 E.
3. Calcule ces deux durées en millisecondes.
On charge un condensateur de 200 µF à travers R = 5,0 kΩ avec E = 10 V.
1. Calcule τ.
2. Exprime i(t) puis calcule i(0), i(τ) et i(3τ).
3. À l’instant t = τ, calcule uC et uR et vérifie la loi des mailles.
Un générateur délivre une tension créneau e(t) entre 0 et 5,0 V (pointillés) qui alimente un circuit RC. La courbe en trait plein est la tension uC aux bornes du condensateur, de capacité 100 µF.
1. Détermine la période T et la fréquence du signal créneau.
2. Pourquoi uC n’a-t-elle pas de discontinuité quand e(t) passe brusquement de 0 à 5,0 V ?
3. Estime τ à l’aide de la courbe de charge sur la deuxième demi-période (la tension montante) et déduis la résistance R.
4. Quelle est la tension atteinte à la fin d’une demi-période ? Pourquoi est-elle très proche de 5,0 V ?
Pour une décharge, on a mesuré uC(t) puis tracé ln(uC) en fonction de t, uC étant exprimée en volts.
1. Pourquoi obtient-on une droite si uC = E × e−t÷τ ?
2. Exprime ln(uC) en fonction de t, de E et de τ.
3. Détermine graphiquement l’ordonnée à l’origine et le coefficient directeur.
4. Déduis la tension initiale E et la constante de temps τ.
Un supercondensateur de capacité C = 1,0 F est chargé sous 2,5 V.
1. Calcule sa charge et son énergie.
2. Il alimente une diode électroluminescente de puissance constante 0,10 W. Estime combien de temps l’énergie stockée permettrait d’alimenter la diode, en supposant tout transférable.
3. Pourquoi la tension de la diode ne peut-elle pas rester constante pendant toute la décharge ?
On charge le même condensateur de capacité C = 100 µF sous E = 6,0 V, d’abord avec une résistance Ra, puis avec une résistance Rb. Les deux courbes sont tracées ci-dessous.
1. Quelle courbe correspond à la plus grande résistance ? Justifie.
2. Détermine τa et τb par la méthode des 63 % (rappel : 0,63 × 6,0 V ≈ 3,8 V).
3. Calcule Ra et Rb.
4. Quel est le rapport Rb ÷ Ra ? Le retrouve-t-on sur τ ?
Le condensateur d’un flash a une capacité de 120 µF et est chargé sous 300 V. Il se décharge dans le tube en 1,0 ms.
1. Calcule la charge stockée et l’énergie stockée.
2. Calcule la puissance moyenne délivrée pendant la décharge.
3. Pourquoi le flash met-il plusieurs secondes à se recharger alors que l’éclair dure une milliseconde ?
Chaque phrase contient une erreur. Recopie-la en la corrigeant.
a. La capacité d’un condensateur s’exprime en henrys.
b. À la charge, la tension uC diminue de façon exponentielle.
c. La constante de temps vaut τ = R ÷ C.
d. En régime permanent, le courant dans le circuit de charge vaut E ÷ R.
e. L’énergie stockée dans un condensateur vaut C × uC.
Dans un circuit RC série (E = 12 V, R = 2,0 kΩ), le condensateur est initialement déchargé et l’interrupteur est fermé à t = 0.
1. Que valent uC(0+), uR(0+) et i(0+) ?
2. Que valent uC, uR et i en régime permanent ? Comment se comporte alors le condensateur ?
3. Explique pourquoi uC ne peut pas être discontinue (raisonne avec i = C × duC ÷ dt).
4. La grandeur i est-elle continue ? Justifie.
Un éclairage de couloir est commandé par un comparateur qui coupe la lumière lorsque la tension uC d’un condensateur, chargé à partir de 0 sous E = 12 V, atteint le seuil de 7,0 V. On souhaite une durée d’éclairage de 30 s avec C = 1 000 µF.
1. Exprime la durée t en fonction de τ, de E et de la tension de seuil.
2. Calcule τ puis la résistance R nécessaire.
3. On dispose d’une résistance de 33 kΩ : calcule la durée réelle d’éclairage.
4. Quelle modification permet de doubler la durée sans changer R ?
Tu disposes d’un condensateur de capacité inconnue (de l’ordre de 100 µF), d’une résistance de 10 kΩ, d’une alimentation continue de 6 V, d’un voltmètre numérique, d’un chronomètre et de fils.
Rédige un protocole complet (schéma, étapes, exploitation) permettant de déterminer cette capacité. Précise deux sources d’erreur et comment les limiter.

