Bac 2027 · spécialité physique-chimie

Condensateur et circuit RC : charge, décharge, τ

Un condensateur branché sur un générateur, avec un conducteur ohmique en série, ne se remplit pas d’un coup : sa tension grimpe d’abord vite, puis ralentit, au rythme que dicte le produit RC. En terminale, une équation différentielle décrit cette montée, puis la décharge ; sa solution, une exponentielle, se retrouve sur la courbe mesurée, et c’est ce raisonnement qu’on révise ici en vue du bac.

Au bac de physique-chimie : dans 7 des 35 sujets de 2024 à 2026 (questions : 41).

L’essentiel

ce qu’il faut savoir
  • L’intensité ii d’un courant exprime combien de charge qq franchit un fil par unité de temps : i=i ={}dqdt \dfrac{\mathrm{d}q}{\mathrm{d}t}, en ampères quand qq est en coulombs et tt en secondes.
  • Pour un condensateur de capacité CC, en farads, l’armature positive porte la charge qq qui, avec la tension uCu_C, satisfait q=C uCq = C\,u_C ; si uCu_C varie, i=i ={}C duCdt C\,\dfrac{\mathrm{d}u_C}{\mathrm{d}t}.
  • Un condensateur d’abord vide, branché sur une source idéale de tension EE avec un conducteur ohmique de résistance RR en série, obéit à uC+RC duCdt=E{u_C + RC\,\dfrac{\mathrm{d}u_C}{\mathrm{d}t} = E} ; sa tension vaut uC(t)=E(1−exp⁡(−tτ))u_C(t) = E\left(1 - \exp\left(-\dfrac{t}{\tau}\right)\right).
  • Quand il se vide dans le seul conducteur ohmique, à partir d’une tension U0U_0, il suit duCdt+uCτ=0{\dfrac{\mathrm{d}u_C}{\mathrm{d}t} + \dfrac{u_C}{\tau} = 0}, soit uC(t)=U0exp⁡(−tτ)u_C(t) = U_0\exp\left(-\dfrac{t}{\tau}\right).
  • La rapidité des deux phénomènes dépend de la même durée, τ=RC\tau = RC ; elle s’exprime en secondes quand la résistance est donnée en ohms et la capacité en farads.

L’épreuve écrite de spécialité physique-chimie dure 210 minutes et est notée sur 20 : trois exercices indépendants, et à partir de la session 2027 deux points pour la maîtrise de la langue. Elle compte pour 80 % de la note de la spécialité ; l’évaluation des compétences expérimentales, une heure au laboratoire, pour 20 %. Le sujet dit si la calculatrice est autorisée.

Intensité, charge et capacité

Un courant électrique, ce sont des charges en mouvement. À chaque instant, l’intensité indique la charge qui franchit une section du fil pendant un court intervalle : dq=\mathrm{d}q ={}i dt i\,\mathrm{d}t. L’ampère vaut un coulomb par seconde ; on parle de régime variable quand ii change au cours du temps.

Deux plaques conductrices face à face, que sépare un matériau isolant : voilà un condensateur, et ces plaques sont ses armatures. Branché sur un générateur, il y fait s’accumuler des charges opposées, +q+q d’un côté et −q-q de l’autre ; ce comportement s’appelle capacitif. Plus la tension entre les armatures est grande, plus elles sont chargées : q=C uCq = C\,u_C, avec la capacité CC en farads. Le farad est une très grande unité ; on rencontre surtout des microfarads, des nanofarads ou des picofarads. La géométrie compte : entre deux plaques planes, C=C ={}εSd \dfrac{\varepsilon S}{d}, où SS est la surface commune des plaques, dd leur écartement et ε\varepsilon la permittivité de l’isolant.

La charge variant avec uCu_C, le courant dans le condensateur est i=i ={}dqdt= \dfrac{\mathrm{d}q}{\mathrm{d}t} ={}C duCdt C\,\dfrac{\mathrm{d}u_C}{\mathrm{d}t} : plus la courbe uC(t)u_C(t) est raide, plus ii est grand, et si uCu_C cesse de varier, le courant s’annule.

GrandeurSymboleUnité
Chargeqqcoulomb (C)
Tension aux bornes du condensateuruCu_Cvolt (V)
Intensité du courantiiampère (A)
CapacitéCCfarad (F)
Temps caractéristiqueτ\tauseconde (s)

Charge d’un condensateur dans un circuit RC

Le circuit de la figure associe en série une source de tension idéale EE, un conducteur ohmique RR, un condensateur CC et un interrupteur. À t=0t = 0, on le ferme sur un condensateur vide. Dans la maille, E=uR+uCE = u_R + u_C (loi des mailles) ; or uR=R iu_R = R\,i (loi d’Ohm) et i=i ={}C duCdt C\,\dfrac{\mathrm{d}u_C}{\mathrm{d}t}. En remplaçant, on arrive à l’équation différentielle uC+RC duCdt=E{u_C + RC\,\dfrac{\mathrm{d}u_C}{\mathrm{d}t} = E}.

Il s’agit d’une équation linéaire du premier ordre, à coefficients constants, dont le second membre est constant. Avec uC(0)=0u_C(0) = 0, sa solution est uC(t)=E(1−exp⁡(−tτ))u_C(t) = E\left(1 - \exp\left(-\dfrac{t}{\tau}\right)\right) en posant τ=RC\tau = RC. Vérifie-la : sa dérivée est Eτexp⁡(−tτ)\dfrac{E}{\tau}\exp\left(-\dfrac{t}{\tau}\right) ; multipliée par τ\tau et ajoutée à uCu_C, elle redonne bien EE.

Le produit RCRC est une durée : un ohm vaut un volt par ampère et un farad un coulomb par volt, d’où un coulomb par ampère, c’est-à-dire une seconde. La tension s’approche de EE sans jamais l’atteindre, tandis que l’intensité i=ERexp⁡(−tτ)i = \dfrac{E}{R}\exp\left(-\dfrac{t}{\tau}\right) décroît depuis ER\dfrac{E}{R} vers zéro : au début, le condensateur laisse passer le courant comme un fil ; à la fin, il n’en laisse plus passer. Après cinq fois τ\tau, il est plein à plus de 99 %99\ \%.

KRCuCE+i

Décharge d’un condensateur

Pour décharger le condensateur, chargé au départ sous la tension U0U_0, on le branche sur le seul conducteur ohmique. Le courant réel sort de l’armature positive et traverse RR : uC=R iu_C = R\,i, avec i=i ={}−dqdt= -\dfrac{\mathrm{d}q}{\mathrm{d}t} ={}−C duCdt -C\,\dfrac{\mathrm{d}u_C}{\mathrm{d}t}, la charge diminuant. Il en résulte duCdt+1RC uC=0{\dfrac{\mathrm{d}u_C}{\mathrm{d}t} + \dfrac{1}{RC}\,u_C = 0} ; la solution est uC(t)=U0exp⁡(−tτ)u_C(t) = U_0\exp\left(-\dfrac{t}{\tau}\right), de limite nulle, avec le même τ=RC\tau = RC. Si ii est plutôt fléché vers l’armature positive, en convention récepteur, alors i=i ={}C duCdt C\,\dfrac{\mathrm{d}u_C}{\mathrm{d}t} est négatif pendant la décharge et la maille donne alors uC+R i=0u_C + R\,i = 0 : l’équation est la même. Suis toujours les flèches du schéma donné.

Exemple (valeurs fictives) : une source de 6,0 V\pu{6,0 V}, R=1,5 kΩR = \pu{1,5 k\Omega} et C=100 μFC = \pu{100 \mu F}, donc τ=0,15 s\tau = \pu{0,15 s}. En charge, à t=2τ=0,30 st = 2\tau = \pu{0,30 s} : uC=6,0(1−exp⁡(−2))=5,19 Vu_C = 6{,}0\left(1 - \exp(-2)\right) = \pu{5,19 V}. En décharge depuis 6,0 V\pu{6,0 V}, à t=3τ=0,45 st = 3\tau = \pu{0,45 s} : uC=6,0exp⁡(−3)=0,299 Vu_C = 6{,}0\exp(-3) = \pu{0,299 V}.

DateEn charge : uC/Eu_C/EEn décharge : uC/U0u_C/U_0
t=τt = \tau0,6320{,}6320,3680{,}368
t=2τt = 2\tau0,8650{,}8650,1350{,}135
t=3τt = 3\tau0,9500{,}9500,0500{,}050
t=5τt = 5\tau0,9930{,}9930,0070{,}007

Lire le temps caractéristique sur une courbe

Sur la courbe de charge, τ\tau se lit de deux façons. Première méthode : on cherche l’instant où uCu_C vaut 63 %63\ \% de EE, car 1−1 -{}exp⁡(−1)≈0,63 \exp(-1) \approx 0{,}63. Seconde méthode : on trace la tangente à la courbe en t=0t = 0, de pente Eτ\dfrac{E}{\tau} ; elle rejoint l’horizontale uC=Eu_C = E en t=τt = \tau. En décharge, c’est l’instant où uCu_C est descendue à 37 %37\ \% de U0U_0.

Plus RR ou CC est grande, plus le remplissage dure : les montages de temporisation exploitent cette lenteur. Pour R=100 kΩR = \pu{100 k\Omega} et C=10 μFC = \pu{10 \mu F} (valeurs fictives), τ=1,0 s\tau = \pu{1,0 s}.

123450,510t/τuC/E0,63

Au laboratoire

le protocole
Une expérience de la notion : la question posée, le protocole, ce qu’on observe et ce qu’on en conclut.
La question
Comment déterminer le temps caractéristique d’un dipôle RC avec une carte d’acquisition ?
Ce qu’on fait varier
La date tt écoulée depuis la fermeture de l’interrupteur ; on enregistre la tension uCu_C.
Le protocole
On branche en série une source de tension continue, un conducteur ohmique de résistance connue, un condensateur vide et un interrupteur. Une carte d’acquisition, un oscilloscope ou un microcontrôleur enregistre la tension uCu_C à partir de la fermeture.
Ce qu’on observe
Le tracé s’élève de zéro vers la tension EE de la source en s’aplatissant. On y relève l’instant où uCu_C vaut 63 %63\ \% de EE, ou celui où la tangente en t=0t = 0 atteint la valeur EE : chaque méthode livre τ\tau.
Ce qu’on en conclut
On compare τ\tau lu sur la courbe au produit RCRC calculé avec les valeurs des composants, en tenant compte de leur incertitude : leur accord confirme le modèle du circuit RC série.

Les mots du programme

intensité d’un courant
Quantité de charge qui traverse une section d’un circuit par unité de temps : i=i ={}dqdt \dfrac{\mathrm{d}q}{\mathrm{d}t}, en ampères.
condensateur
Dipôle fait de deux plaques conductrices face à face et d’un isolant entre elles ; il emmagasine des charges opposées sur ses plaques.
capacité
Rapport C=quCC = \dfrac{q}{u_C} entre la charge portée par l’armature positive et la tension du condensateur ; son unité est le farad.
comportement capacitif
Apparition de charges opposées sur deux surfaces qui se font face.
circuit RC série
Conducteur ohmique et condensateur en série ; la charge et la décharge y ont pour durée caractéristique τ=RC\tau = RC.
temps caractéristique
Durée τ=RC\tau = RC qui donne l’échelle de temps de la charge et de la décharge d’un condensateur dans un conducteur ohmique.

Une question du sujet

source : éduscol
Une vraie question d’un sujet du bac, mot pour mot, avec les lignes de l’exercice dont elle a besoin. Cherche-la avant de lire le corrigé.
Question d’un sujetbac

Bac 2026, Métropole, jour 1 — exercice 1, question 8

Exercice 1 — Étude d’un lave-linge — 2. Durée de temporisation

Figure 2. Schéma du montage modélisant un temporisateur · Ministère de l’Éducation nationale – éduscol
[…] L’objectif de cette partie est d’étudier une modélisation simple d’un temporisateur de lave-linge à l’aide du montage de la figure 2. […] Le montage est constitué : • d’un générateur de tension idéal de force électromotrice E=4,5 VE = \pu{4,5 V} ; • d’un conducteur ohmique de résistance RR ; • d’un condensateur de capacité CC ; • d’un interrupteur K ayant deux positions : position 1 pour la charge du condensateur et position 2 pour la décharge du condensateur ; […] À l’instant initial (t=0t = 0), le condensateur étant déchargé, on place l’interrupteur K en position 1.

Question 8

Q8. Montrer que l’équation différentielle donnant les variations de la tension uC(t)u_{\text{C}}(t) aux bornes du condensateur en fonction du temps est de la forme : uC(t)+u_{\text{C}}(t) +{}R⋅C⋅duCdt(t)= R \cdot C \cdot \dfrac{\mathrm{d}u_{\text{C}}}{\mathrm{d}t}(t) ={}E E

Source : ministère de l’Éducation nationale – éduscol, bac 2026, spécialité physique-chimie, Métropole, jour 1, exercice 1, question 8 (Licence Ouverte / etalab-2.0). Corrigé : Kleksa (non officiel). · Le sujet sur éduscol · Faire le sujet gratuitement

Question d’un sujetbac

Bac 2026, Asie, jour 2 — exercice 1, question 5

Exercice 1 — Jeu d’évasion — Partie 2 – Résistance à régler

Figure 3 : Schéma du circuit électrique · Ministère de l’Éducation nationale – éduscol
[…] Le condensateur est initialement chargé : sa tension vaut U0=5,0 VU_0 = \pu{5,0 V}. À t=0 st = \pu{0 s}, on bascule l’interrupteur K de la position 1 à la position 2 : le condensateur de capacité C=47 μFC = \pu{47 \mu F} se décharge au travers d’un conducteur ohmique de résistance RR de valeur ajustable. […]

Question 5

Q5- Montrer que l’équation différentielle modélisant l’évolution de la tension uCu_{\text{C}} aux bornes du condensateur lors de sa décharge s’écrit : duCdt+\dfrac{\mathrm{d}u_{\text{C}}}{\mathrm{d}t} +{}1τuC= \dfrac{1}{\tau} u_{\text{C}} ={}0 0 où τ\tau est une constante de temps dont on donnera l’expression en fonction de RR et de CC.

Source : ministère de l’Éducation nationale – éduscol, bac 2026, spécialité physique-chimie, Asie, jour 2, exercice 1, question 5 (Licence Ouverte / etalab-2.0). Corrigé : Kleksa (non officiel). · Le sujet sur éduscol

Dans les sujets

compté par sujet
Les sujets de 2024 à 2026 qui ont posé une question sur cette notion : dans 7 des 35 sujets, sans compter les sujets de remplacement et de secours.
SujetQuestions
Bac 2026, Asie, jour 21.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9
Bac 2026, Centres étrangers, jour 11.11, 1.12, 1.13, 1.14, 1.15, 1.16, 1.17, 1.18
Bac 2026, Métropole, jour 11.8, 1.9, 1.10, 1.11, 1.12, 1.13, 1.14
Bac 2026, Polynésie, jour 22.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6
Bac 2025, Asie, jour 23.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6
Bac 2025, Métropole, jour 21.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.8, 1.9
Bac 2025, Nouvelle-Calédonie, jour 23.10

Teste-toi

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bac

Question 1. (0–1)

Dans une temporisation d’éclairage, un condensateur de capacité C=1,0 mFC = \pu{1,0 mF} se charge à travers un conducteur ohmique de résistance R=330 ΩR = \pu{330 \Omega}. Données : • constante de temps du dipôle RCRC : τ=RC\tau = R C. Calculer la constante de temps τ\tau du circuit, en ms. Donner le résultat avec deux chiffres significatifs.
ms

Saisis uniquement le nombre, avec une virgule comme séparateur décimal.

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bac

Question 2. (0–1)

Un condensateur de capacité C=220 μFC = \pu{220 \mu F}, initialement déchargé, est relié à la date t=0t = 0 à un générateur de tension constante E=5,0 VE = \pu{5,0 V} à travers un conducteur ohmique de résistance R=470 ΩR = \pu{470 \Omega}. Données : • constante de temps du dipôle RCRC : τ=RC\tau = R C ; • au cours de la charge, uC(t)=E(1−e−t/τ)u_C(t) = E\left(1 - \mathrm{e}^{-t/\tau}\right). Calculer la tension uCu_C aux bornes du condensateur à la date t=44 mst = \pu{44 ms}, en V. Donner le résultat avec trois chiffres significatifs.
V

Saisis uniquement le nombre, avec une virgule comme séparateur décimal.

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Question 3. (0–1)

Un condensateur de capacité C=470 μFC = \pu{470 \mu F}, initialement déchargé, est relié à la date t=0t = 0 à un générateur de tension constante E=4,5 VE = \pu{4,5 V} à travers un conducteur ohmique de résistance R=100 ΩR = \pu{100 \Omega}. Données : • constante de temps du dipôle RCRC : τ=RC\tau = R C ; • au cours de la charge, uC(t)=E(1−e−t/τ)u_C(t) = E\left(1 - \mathrm{e}^{-t/\tau}\right). Calculer la date t1t_1 à laquelle la tension aux bornes du condensateur atteint U1=3,7 VU_1 = \pu{3,7 V}, en ms. Donner le résultat avec trois chiffres significatifs.
ms

Saisis uniquement le nombre, avec une virgule comme séparateur décimal.

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bac

Question 4. (0–1)

Un condensateur de capacité C=1,0 μFC = \pu{1,0 \mu F}, chargé sous la tension U0=4,5 VU_0 = \pu{4,5 V}, se décharge à partir de la date t=0t = 0 dans un conducteur ohmique de résistance R=33 kΩR = \pu{33 k\Omega}. Données : • constante de temps du dipôle RCRC : τ=RC\tau = R C ; • au cours de la décharge, uC(t)=u_C(t) ={}U0 e−t/τ U_0\,\mathrm{e}^{-t/\tau}. Calculer la tension uCu_C aux bornes du condensateur à la date t=50 mst = \pu{50 ms}, en V. Donner le résultat avec trois chiffres significatifs.
V

Saisis uniquement le nombre, avec une virgule comme séparateur décimal.

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Les erreurs fréquentes

là où on perd des points
  • Écrire τ=RC\tau = \dfrac{R}{C}. Seul le produit RCRC a la dimension d’un temps.
  • Prendre t=τt = \tau pour la fin de la charge. À cet instant, uCu_C ne vaut encore que 63 %63\ \% de EE ; dépasser 99 %99\ \% réclame de l’ordre de 5τ5\tau.
  • Insérer des kilo-ohms et des microfarads tels quels dans RCRC. Le temps sort faux d’un facteur mille : convertis en ohms et en farads avant de multiplier.
  • Confondre uRu_R et uCu_C. Pendant la charge, uR=E−uCu_R = E - u_C décroît de EE vers zéro, tandis que uCu_C croît de zéro vers EE.
  • Appliquer la formule de charge à une décharge. La décharge part de U0U_0 et tend vers zéro : uC=U0exp⁡(−tτ)u_C = U_0\exp\left(-\dfrac{t}{\tau}\right) ne contient pas de terme 1−exp⁡(−tτ)1 - \exp\left(-\dfrac{t}{\tau}\right).

À retenir

  • i=i ={}dqdt \dfrac{\mathrm{d}q}{\mathrm{d}t} et q=C uCq = C\,u_C, donc i=i ={}C duCdt C\,\dfrac{\mathrm{d}u_C}{\mathrm{d}t}.
  • Charge : uC+RC duCdt=E{u_C + RC\,\dfrac{\mathrm{d}u_C}{\mathrm{d}t} = E}, de solution uC=E(1−exp⁡(−tτ))u_C = E\left(1 - \exp\left(-\dfrac{t}{\tau}\right)\right).
  • Décharge : duCdt+uCτ=0{\dfrac{\mathrm{d}u_C}{\mathrm{d}t} + \dfrac{u_C}{\tau} = 0}, de solution uC=U0exp⁡(−tτ)u_C = U_0\exp\left(-\dfrac{t}{\tau}\right).
  • Temps caractéristique : τ=RC\tau = RC, en secondes ; en charge, uCu_C atteint 63 %63\ \% de sa valeur finale à t=τt = \tau.

Questions fréquentes

  1. 1.Pourquoi la charge d’un condensateur n’est-elle pas instantanée ?+
    Réponse :Le conducteur ohmique freine l’arrivée des charges : i=E−uCRi = \dfrac{E - u_C}{R}. Plus uCu_C approche de EE, plus l’écart E−uCE - u_C s’amenuise, donc ii aussi, et la tension progresse de plus en plus doucement.
  2. 2.Quelle est l’unité du temps caractéristique ?+
    Réponse :La seconde. Un ohm est un volt par ampère et un farad un coulomb par volt : leur produit est un coulomb par ampère, donc des secondes.
  3. 3.Comment retrouver le temps caractéristique sur une courbe ?+
    Réponse :Pour une charge, relève l’instant où uCu_C atteint 63 %63\ \% de EE, ou celui où la tangente en t=0t = 0 rejoint uC=Eu_C = E. Pour une décharge, relève l’instant où uCu_C est tombée à 37 %37\ \% de U0U_0.
  4. 4.Que vaut le courant à la date zéro ?+
    Réponse :Pour un condensateur vide, uC(0)=0u_C(0) = 0, donc toute la tension EE se trouve aux bornes du conducteur ohmique et i(0)=ERi(0) = \dfrac{E}{R} : au départ, le condensateur se comporte comme un fil.
  5. 5.La tension d’un condensateur peut-elle changer d’un coup ?+
    Réponse :Non : elle suit une exponentielle dont la pente initiale est finie, Eτ\dfrac{E}{\tau}. Un saut brutal de uCu_C exigerait un courant infini, puisque i=i ={}C duCdt C\,\dfrac{\mathrm{d}u_C}{\mathrm{d}t}.

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