CHAPITRE V

Piles.

28. — Les sources d'électricité employées dans la pratique se divisent en deux classes principales. Les unes utilisent les phénomènes, physiques et chimiques, qui sont produits par la mise en contact de certains corps : ce sont les piles. Les autres utilisent les phénomènes d'induction et transforment en courant électrique le travail d'un moteur en restituant sous forme d'énergie électrique l'énergie mécanique qui leur est fournie : ce sont les générateurs mécaniques d'électricité. Enfin nous dirons quelques mots des accumulateurs, qui ne sont pas à proprement parler des appareils producteurs d'électricité, et qui jouent simplement le rôle de réservoirs susceptibles d'emmagasiner de l'énergie électrique.

29. Étude générale de la pile. — Si dans un vase contenant de l'eau additionnée d'acide sulfurique on plonge une lame de zinc pur et une lame de cuivre, et qu'on réunisse ces deux lames par un conducteur métallique, on constate qu'elles présentent une certaine différence de potentiel, c'est-à-dire que le conducteur est parcouru par un courant électrique allant de la lame de cuivre à la lame de zinc (fig. 37). On constate en même temps que la production du courant est accompagnée d'une décomposition chimique du liquide, l'oxygène se portant à la lame de zinc en donnant naissance à de l'oxyde de zinc, et l'hydrogène se dégageant sous forme de bulles le long de la lame de cuivre. L'expérience peut être répétée avec des métaux quelconques inégale-

ment oxydables; il y aura toujours production d'un courant électrique allant, dans le conducteur extérieur, du métal le moins oxydable au métal le plus oxydable. On peut aussi se servir d'un liquide quelconque, pourvu qu'on y plonge deux corps inégalement attaqués par ce liquide.

L'appareil que nous venons de décrire constitue une pile ou plus exactement un élément de pile. Nous verrons tout à l'heure l'origine de ces désignations. Les lames métalliques plongées dans le liquide portent le nom $ électrodes.

Les extrémités des électrodes où se fixe le conducteur extérieur qui relie les deux lames sont appelées pôles.

Suivant la convention universellement adoptée, on appelle pôle positif celui d'où part le courant qui parcourt le conducteur, et pôle négatif celui où arrive le courant après avoir traversé

le conducteur. En considérant la pile et le conducteur comme formant un circuit fermé, on voit que le courant va dans l'intérieur de la pile de la lame de zinc à la lame de cuivre. Aussi, pour respecter la convention précédente, on appelle électrode positive celle qui est reliée au pôle négatif, et électrode négative celle qui est reliée au pôle positif. L'électrode positive est toujours constituée par le métal le plus oxydable.

Nous voyons immédiatement qu'il ne faut pas confondre la force électro-motrice d'une pile avec la différence de potentiel entre ses deux pôles. Il se passe en effet dans une pile deux phénomènes distincts : l'un par lequel elle produit la force qui donne naissance au courant, l'autre par lequel elle absorbe une partie de cette force en raison de la résistance que ses plaques métalliques et son liquide opposent au passage du courant, et à laquelle on a donné le nom de résistance intérieure. Il y a là quelque chose de tout à fait analogue à ce qui se passe dans une machine, où une partie du travail est absorbée par les résistances passives.

Il résulte de là que la force électro-motrice d'une pile est égale

à la différence de potentiel qui existe entre ses deux pôles lorsqu'elle est en circuit ouvert, c'est-à-dire lorsque ses deux électrodes ne sont pas réunies par un conducteur. Mais si on vient à fermer le circuit, une fraction de cette force électro-motrice est absorbée par la résistance intérieure, et l'autre partie reste disponible dans le circuit extérieur sous forme de différence de potentiel entre les deux extrémités de ce circuit. Ces deux quantités sont d'ailleurs liées entre elles par une relation simple. Soit E la force électro-motrice de la pile, e la différence de potentiel entre les pôles, r la résistance intérieure, R la résistance du conducteur extérieur. La fraction de force électro-motrice absorbée par la résistance intérieure sera, d'après la loi de Ohm, égale à i r, i

étant l'intensité du courant. Or en appliquant la loi de Ohm à

l'ensemble du circuit, on voit que i = - , car la résistance

totale du circuit est R -h r. On a donc :

E = * + tr = e + d'où :

Ce que nous venons de dire pour les piles s'applique également à toutes les autres sources d'électricité. Pour un circuit extérieur donné, la force électro-motrice disponible, c'est-à-dire la différence de potentiel aux pôles en circuit fermé, est d'autant plus grande que la résistance intérieure est plus petite.

Il résulte de ce qui précède qu'une pile est définie par deux quantités : sa force électro-motrice E et sa résistance intérieure r(l). Ces deux quantités sont ce qu'on appelle les constantes de la pile.

Si on ne connaît pas les constantes d'un élément de pile, on peut les mesurer avec une exactitude suffisante par le procédé suivant. On établit en circuit un élément de pile étalon, dont la force électro-motrice E' est connue, un galvanomètre, et une résistance variable, à laquelle on donne une certaine valeur assez con-

(1) 11 est bien évident qu'il faut entendre par résistance intérieure la résistance de toute la portion du circuit comprise entre les pôles, c'est-à-dire non seulement la résistance de la pile proprement dite, mais aussi la résistance des conducteurs qui peuvent relier les lames aux pôles.

sidérable, 5 000 ohms par exemple. On a une certaine déviation du galvanomètre. On remplace ensuite dans le circuit la pile étalon par l'élément dont on veut mesurer la force électro-motrice E, et on cherche par tâtonnement la valeur R de la résistance variable qui donne la même déviation du galvanomètre. On a alors :

JL = R

Pour mesurer la résistance intérieure, on prend deux éléments, et on les monte en opposition, c'est-à-dire en reliant l'un à l'autre les deux pôles positifs par exemple. Si les deux éléments sont bien identiques, l'ensemble n'est traversé par aucun courant, et se comporte comme un conducteur ordinaire, dont on mesure la résistance par la méthode du pont de Wheatstone; en divisant

le résultat par 2, on a la résistance intérieure d'un élément.

La formule que nous avons donnée plus haut, i =- , montre

que le débit maximum d'une pile, correspondant à la mise en court

circuit de ses pôles (R = 0), est égal à -. Ce maximum est purement théorique, et il convient de rester toujours notablement audessous, sous peine de désorganiser rapidement la pile. En pratique, les constructeurs doivent toujours indiquer, en même temps que les constantes d'un élément de pile, l'intensité maxima qu'il

est susceptible de fournir normalement. Cette intensité ne doit ja-

mais être plus grande que — .

La théorie de la pile n'a pas encore été donnée d'une manière certaine, ou plus exactement on se trouve en présence de deux théories qui permettent également d'expliquer les phénomènes observés. La première de ces théories, due à Volta, admet que le contact de deux corps de nature différente produit entre eux une différence de potentiel. Dans la pile que nous avons décrite, la force électro-motrice serait alors la somme des forces électro-motrices créées au contact du zinc et de l'eau acidulée d'une part, de l'eau acidulée et du cuivre d'autre part. L'autre théorie, donnée pour la première fois par Fabroni, attribue la production d'électricité aux actions chimiques s'exerçant entre les métaux et les liquides. Nous ne pouvons examiner ici en détail ces

théories. Nous constaterons simplement ce fait, que lorsqu'on plonge deux corps métalliques mis au contact ou réunis par un conducteur dans un liquide qui les attaque inégalement, il y a production d'un courant électrique. L'ensemble des deux métaux et du liquide constitue alors un élément de pile, ou, comme on dit quelquefois, un couple. C'est ce qui a lieu par exemple dans les coques des navires lorsque des morceaux de fer et de cuivre se trouvent en contact en pr ésence de l'eau salée. Il y a formation d'un couple, et le fer, qui est le métal le plus attaquable, est rapidement oxydé.

30. Accouplement des piles. — Nous avons vu que l'ensemble formé par une lame de zinc et une lame de cuivre plongeant dans de l'eau acidulée constituait un élément de pile. Voyons maintenant ce qui se passe lorsqu'on considère une pile formée par la réunion de plusieurs éléments.

Deux éléments de pile peuvent être associés de deux façons différentes. Nous pouvons réunir le pôle négatif d'un des éléments au pôle positif de l'autre, et prendre comme pôles de la pile ainsi formée les pôles extrêmes des éléments (fig. 38). On dit

alors que les deux élénienls sont groupés en série y ou en tension.

Si au contraire nous réunissons ensemble les deux pôles positifs Fig. 38. Fig. 39. e * l es deux pôles né-

gatifs (fig. 39), nous formerons une pile dont les éléments sont dits groupés en dérivation ou en quantité (1).

De même, si on prend un nombre quelconque d'éléments de pile, on pourra les associer soit en série, soit en dérivation, ou même associer en dérivation un certain nombre de groupes formés d'éléments associés en série. Ce sera par exemple le cas de la fig. 40, qui représente une pile formée de deux groupes de trois éléments montés en série.

(1) On emploie aussi quelquefois les expressions de groupement en surface, groupe-, menl en arc parallèle, groupement en arc multiple.

Considérons d'abord le groupement en série. Pour bien comprendre ce qui se passe dans ce cas, reprenons la comparaison des réservoirs d'eau qui nous a servi au § 1. Considérons trois réservoirs (fig. 41) placés à des niveaux différents, tels que la différence de niveau entre le premier et le deuxième réservoir soit la même qu'entre le deuxième et le troisième. Supposons que les tuyaux T et T' aient même section et même longueur. L'ensemble se comportera évidemment comme si l'on avait seulement deux réservoirs présentant entre eux une différence de niveau égale à 2A, et reliés par un tuyau formé de la réunion des

Fig. 40.

Fig. 41.

tuyaux T et T' mis bout à bout. De même, lorsqu'il s'agit d'éléments de pile montés en série, nous voyons que l'ensemble de ces éléments se comportera comme une pile unique ayant pour force électro-motrice la somme des forces électro-motrices des divers éléments, et pour résistance intérieure la somme des résistances intérieures de ces éléments. Si nous considérons n éléments identiques, dont les constantes sont E et r, en les montant en série nous formerons une pile dont la force électro-motrice sera n E et la résistance intérieure n r, Si nous réunissons les pôles de cette pile par un conducteur de résistance R, ce conducteur sera parcouru par un courant d'intensité I, telle que

Considérons maintenant le groupement en quantité. Ici les pôles de même nom sont tous réunis entre eux pour former un pôle unique (fig. 42). 11 est donc évident qu'il ne peut exister entre les

deux pôles A et B ainsi formés que la même différence de potentiel que celle qui existait entre les deux pôles de chaque élément

pris séparément. Réunissons ces deux pôles par un conducteur ; un courant va circuler dans ce conducteur et dans les éléments.

En nous reportant à ce qui a été dit au § 7, nous voyons que l'ensemble des trois éléments se comporte comme une résistance p telle que :

L — J JL 1 — 3

r étant la résistance intérieure de chaque

élément. On tire de là p = ^. Tout se passe

Fig. 42.

comme si on avait une pile unique de résistance intérieure - et

de force électro-motrice E (E étant la force électro-motrice d'un élément). Si donc nous prenons n éléments de pile, en les associant en quantité nous formons une pile de force électro-motrice E et

de résistance intérieure -. Si nous réunissons les pôles de cette

pile par un conducteur de résistance R, ce conducteur sera traversé

par un courant d'intensité I, telle que :

Quant au courant qui traverse chaque élément de pile, son in-

tensité est seulement *'=-== .

Soient maintenant n éléments répartis en q groupes associés en

quantité, chaque groupe étant composé de t éléments associés

en tension. Chaque groupe de t éléments se comporte comme

une pile de force électro-motrice / E et de résistance intérieure t r.

Si nous associons ces groupes en quantité, nous aurons une pile

t r de force électro-motrice t E et de résistance intérieure — . Le cou-

Q rant qui traversera le circuit extérieur aura pour intensité :

— tr ~ tr ■+- qR ~ tr + qK

car on a évidemment t q = n.

Les équations qui précèdent peuvent servir à résoudre un grand nombre de problèmes. Supposons par exemple que Ton veuille alimenter une lampe à incandescence, exigeant une différence de potentiel de 25 volts et une intensité de 3 à ,6, à l'aide d'éléments de pile ayant pour constantes E = l v , 47 et r = W ,6, et proposons-nous de chercher le nombre d'éléments nécessaire et le groupement qu'il faudra adopter.

La résistance de la lampe, c'est-à-dire du circuit extérieur, est

évidemment égale à— = 6 W ,94. On a donc l'équation : «5,o

3,6 «yxi,w

Pour les éléments dont il s'agit, on peut admettre 1 A , 2 comme débit pratique maximum. On voit donc qu'avec 4 groupes en quantité le débit de 3 A ,96 dont nous avons besoin ne sera pas exagéré, puisque l'intensité du courant circulant dans chaque

groupe sera -y- = A , 9. Faisons q = 4 dans l'équation précédente. Il vient :

On tire de là t = 26,86. Nous prendrons donc 4 groupes de 27 éléments associés en tension et nous les monterons en quantité. Le nombre total d'éléments employés sera 4 x 27 = 108.

31. Pile de Volta. — Nous avons pris jusqu'ici comme forme type de la pile, en raison de sa simplicité, l'élément constitué par une lame de zinc et une lame de cuivre plongeant dans de l'eau acidulée. Hais la forme la plus ancienne, qui n'a plus aujourd'hui qu'un intérêt historique, est celle qui a été imaginée par Volta, inventeur de ce genre d'appareils. La pile de Volta (fig. 43) se compose de rondelles de zinc, de drap mouillé et de cuivre, posées successivement et toujours dans le même ordre l'une au-dessus de l'autre. La rondelle inférieure repose sur une lame ou un anneau de

Fig. 43.

verre V , qui sert à isoler l'appareil, et la colonne est maintenue par trois montants également en verre. En se reportant à tout

ce que nous avons dit précédemment, on voit que la pile de Volta était formée en réalité d'un certain nombre d'éléments associés en tension, chaque élément étant constitué par une rondelle de cuivre et une rondelle de zinc séparées par une rondelle de drap mouillé.

32. Polarisation des électrodes. — Reprenons l'élément type zinc-cuivre qui nous a servi jusqu'ici. Si on réunit les pôles de cet élément par un conducteur, on constate que le courant produit diminue très sensiblement quelques secondes après la fermeture du circuit. L'affaiblissement est d'autant plus rapide que le circuit extérieur offre moins de résistance, c'est-à-dire que le courant est plus intense.

Ce phénomène est dû à la présence de l'hydrogène sur le cuivre. Nous avons vu que le passage du courant produisait une décomposition chimique de l'eau, l'hydrogène se portant sur l'électrode négative, et l'oxygène sur l'électrode positive. Il arrive donc rapidement que l'électrode négative est entourée par une véritable atmosphère d'-hydrogène, formée par un grand nombre de petites bulles adhérentes à la surface de l'électrode. Or l'hydrogène est un corps très facilement oxydable, et en particulier plus oxydable que le zinc. Il va donc former avec la lame de zinc un véritable couple, dans lequel le zinc sera cette fois l'électrode négative comme étant moins oxydable que l'hydrogène, qui constituera l'électrode positive. Il y aura donc tendance à la production d'un courant de sens inverse au premier, c'est-à-dire création d'une force électro-motrice de sens contraire à celle du couple zinccuivre, et à laquelle on a donné le nom de force contre électromotrice. Au bout d'une courte période de fonctionnement, cette

force contre électro-motrice fait équilibre à la force électro-motrice, et le courant devient nul. Ce phénomène a reçu le nom de polarisation. On appelle courant secondaire ou courant de polarisation le courant inverse qui vient annuler l'effet du courant normal de la pile, et on dit alors que les électrodes sont polarisées.

Si on vient à enlever par un moyen quelconque l'hydrogène adhérent à la lame de cuivre, on voit le courant normal reprendre pendant quelque temps son intensité première ; puis les phénomènes de polarisation se reproduisent de nouveau.

33. Dépolarisation* — Pour donner aux piles la régularité de débit essentielle dans presque toutes les applications, il suffit donc de supprimer la polarisation. Tel est le but des innombrables dispositions imaginées pour la pile depuis Vol ta. parmi lesquelles nous étudierons seulement les plus usitées.

L'enlèvement mécanique de l'hydrogène, qui a été quelquefois essayé (pile Erckmann), ne constitue pas une solution vraiment pratique du problème. Le moyen le plus sûr et le plus fréquemment employé consiste à absorber l'hydrogène au fur et à mesure de sa formation dans une combinaison chimique.

Considérons par exemple l'élément zinc-cuivre. Si on le met en circuit fermé, on voit, comme nous l'avons dit, le courant diminuer rapidement. Mais si l'on verse autour du cuivre quelques gouttes d'acide azotique, le courant reprend son intensité première. Cela tient à ce que l'acide azotique, qui est un oxydant énergique, s'est emparé de l'hydrogène en formant de l'eau et du bioxyde d'azote.

Si, au lieu de verser l'acide azotique directement dans l'eau acidulée, on l'en sépare par une cloison poreuse, et qu'on mette l'électrode négative, non plus dans l'eau acidulée, mais dans l'acide azotique, le même effet se produira encore. On aura alors un élément composé avec deux liquides séparés l'un de l'autre; le premier contient la lame de zinc (1) et est destiné à attaquer ce métal; c'est le liquide actif. L'autre, qui est le liquide dèpola-

(1) On remarquera que dans presque toutes les piles on choisit le zinc pour constituer l'électrode positive. Cela tient à ce que ce métal est facilement attaquable et qu'on peut l'obtenir à peu près pur sans difficulté et à un prix peu élevé. Cette dernière considération est importante, car c'est l'électrode positive qui se détruit peu à peu en s'oxydant, et qui constitue par suite ce qu'on peut appeler le combustible de la pile.

visant, sert à former avec l'hydrogène une combinaison qui reste en dissolution dans la liqueur, et reçoit l'électrode négative.

Tel est le principe des piles dites à deux liquides. Diverses dispositions et diverses réactions chimiques, autres que celle de l'acide azotique, ont été essayées pour obtenir la dépolarisation. On fait également usage de corps dépolarisants à l'état solide. Nous allons décrire quelques-unes des piles les plus employées dans la pratique.