Déterminer le temps caractéristique d'une évolution exponentielle (méthode de la tangente)

Exemple La décharge d'un condensateur

L'évolution temporelle de la tension \(u_{C}\) (unité : volt V) aux bornes d'un condensateur de capacité C lors de sa décharge dans un circuit RC est donnée sur le graphe ci-dessous (en orange).

L'équation horaire de \(u_{C}\) est du type : \(u_{C}(t) = U_{0} \times \text{e}^{-\frac{t}{\tau}}\)

\(\tau\) est la constante de temps (unité: seconde s).

Calculer la valeur de \(\tau\).

Explication

Lors d'une évolution exponentielle, la valeur du temps caractéristique se lit au croisement de la tangente à l'origine et de l'asymptote de la courbe

Lecture graphique :

  • Dans ce cas, l'asymptote aux temps longs est l'axe des abscisses

  • La tangente à l'origine coupe l'axe des abscisses à \(t=0,5~\mbox{s}\)

  • Le temps caractéristique \(\tau\) de cette évolution est donc : \(\tau=0,5~\mbox{s}\).

Méthode Méthode des tangentes

Nous raisonnons dans le cas où :

  • On sait que la grandeur étudiée suit une loi exponentielle décroissante (ou peut être modélisée par une exponentielle)

  • Et que l'évolution converge vers une valeur finie

Dans ce cas, pour déterminer le temps caractéristique d'évolution il faut :

  1. Identifier l'asymptote aux temps longs (la droite horizontale vers laquelle la courbe temps)

  2. Tracer la tangente à l'origine

  3. Relever l'abscisse du point d'intersection entre la tangente et l'asymptote.

Attention Attention aux dimensions

En sciences vous pouvez trouver ces évolutions décrites par le temps caractéristique (homogène donc à un temps) ou bien par une constante homogène à l'inverse d'un temps. C'est le cas par exemple lors d'une décroissance radioactive : \(N(t)=N_0\text{e}^{-\lambda t}\). Dans ce cas, l'abscisse du point d'intersection entre la tangente et l'asymptote vaut \(\dfrac 1\lambda\).