CHAPITRE I

On peut se faire une idée assez exacte d'une pile en la comparant à un foyer de chaleur^ le foyer d'une chaudière à vapeur par exemple. Ce foyer produit, par la combustion ou combinaison chimique de la houille avec Toxygène de Tatmosphère, de la chaleur qui élève un certain volume des produits de la combustion à une certaine température. La quantité de chaleur produite par la combustion servira en partie à produire un certain volume de vapeur à une certaine pression.

Le foyer de notre chaudière n'est autre chose que la pile ellemême ; le combustible est le zinc, le comburant est l'eau acidulée, qui, par leur combinaison chimique, produisent un courant électrique ayant une certaine tension ou force électro-motrice et une certaine ifitensité, comme la vapeur a un volume et une pression parfaitement déterminés.

Cette comparaison grossière est cependant assez exacte ; elle présente l'avantage de faciliter l'intelligence des phénomènes souvent complexes qui se passent dans la pile, et de rendre pour ainsi dire visibles des faits dont l'explication théorique présente souvent une grande obscurité.

La forme la plus simple que l'on puisse donner à une pile est celle de la pile à un seul liquide. Un élément comprend alors :

1* Un vase servant à contenir les éléments actifs;

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2® Un corps attaqué (le zinc est presque exclusivement employé), qui formera le pôle 7iégatif de la pile : c'est le combustible ;

3* Un liquide, de Teau acidulée par Tacide sulfurique par exemple : c'est le comburant ;

4*" Une lame inattaquable, cuivre, charbon ou platine, dont le rôle est de former le pôle positif de la pile en prenant Télectricité du liquide par conductibilité.

La figure 1 représente un élément simple ainsi constitué : un vase en verre V, une lame de zinc Z formant le pôle négatif Ae la pile, un liquide qui est de Teau renfermant ^ de son poids d'acide sulfurique, et une lame de cuivre C prenant, par conductibilité, la polarité du liquide pour former le pà\e positif.

En réunissant par un conducteur les deux lames Z et C, ce fil sera traversé par un courant électrique.

Ce courant électrique peut être figuré très simplement en le considérant comme „. . -j,. ,. I une circulation d'électricité continue allant

Fig. 1. — Elémont simple.

du pôle négatif au pôle positif à l'intérieur de la pile, et du pôle positif au pôle négatif à l'extérieur, dans les fils qui les réunissent.

Négligeons pour un instant les phénomènes secondaires qui se produisent à l'intérieur de l'élément simple que nous venons de constituer, et étudions d'abord les propriétés de ce courant circulant dans le circuit extérieur.

Tension, force électro-motrice, intensité du courant électrique, résistance du conducteur. — Lorsqu'une lame de zinc se trouve en contact avec Uacîde, il se produit entre eux une différence de tension électrique qui constitue la force électro-motrice de l'élément.

La tension du courant correspond à la pression qui fait circuler Teau dans un tuyau de conduite. L'analogie est complète, car l'intensité du courant dans le circuit est analogue au volume d'eau débité par la conduite. Le conducteur formant le circuit extérieur n'est autre chose que le tuyau de la

conduite; ce conducteur offre une résistance au courant électrique comme le tuyau offre une résistance à Técoulement de Teau.

Il y a donc, dans une circulation électrique donnée, trois éléments distincts qui la caractérisent:

i* La pression du courant, tension, force électro-motrice ou différence des potentiels: c'est la force en vertu de laquelle le courant électrique s'établit (i);

2* Le volume du courant, c'est son i/itensité ou la quantité d'électricité qui traverse le circuit dans l'unité de temps ;

3^ La résistance du circuit, c'est la résistance qu'apporte le conducteur à la circulation du courant, eu égard à ses dimensions et à sa nature.

liOi de Ohm. •— La loi qui relie la résistance du conducteur, la tension et l'intensité du courant dans un circuit électrique, a été établie mathématiquement par Ohm, célèbre savant allemand, en 1827, et expérimentalement par le physicien français Povillet.

Cette loi peut s'exprimer très simplement par la formule suivante :

formule dans laquelle

I représente l'intensité du courant,

E, la force électro-motrice ou différence des potentiels aux deux extrémités du circuit,

R, la résistance électrique du circuit.

Cette formule se traduit ainsi en langage ordinaire : Vintensité d'un courant sur un circuit électrique est proportionnelle à la force étectro-motrice, et inversement proportionnelle à la résistance.

Nous retrouverons cette lui à chaque instant dans l'examen des sources électriques et des applications de l'électricité.

Unités électriques. — Nous savons qu'un courant qui traverse un circuit électrique d'une certaine résistance possède une certaine tension et une intensité déterminée. Pour avoir une idée exacte de ce courant, il faut mesurer les éléments de sa circulation : tension, intensité et résistance, La mesure des éléments électriques est une question très délicate et très difficile, et il n'entre pas dans notre cadre de l'aborder ; mais nous devons dire quelques mots des unités auxquelles oft s'est arrêté après de longues recherches, et qui paraissent devoir être universellement adoptées dans un temps très rappiroché.

En ib63, l'Association britannique nomma une commission composée des plus éminents électriciens de l'Angleterre pour établir un système

(1) Plus exactement, la force électro-motrice est la cause du courant, la différence des potentiels est Texprcssion de la mesure de cette force. Le mot force électromotrice B*applique à une pile ou à uno machine, le mot différence de potentiels à deux points d'un circuit. L'emploi d'un mot pour Tautreest dû à une substitution, fréquente dans le langage ordinaire, de cause à effet, ou inversement.

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coordonné de mesures électriques. Après huit années de travaux et d'expériences, le comité publia un : apport très détaillé et détermina les unités électriques en se basant sur des considérations dans le détail desquelles nous n'avons pas à entrer ici. Le Congrès international des électriciens, réuni à Paris le i5 septembre i88i a sanctionné l'emploi de ces unités, sous réserve de petites modifications dont nous tenons compte ici-méme.

Les unités adoptées parla commission anglaise sont fondées sur le centimètre, le gramme et la seconde. Elles dérivent toutes les unes des autres par des définitions quelquefois très complexes, mais qui présentent l'avantage de bien établir l'origine de ces unités et d'en faciliter le rétablissement dans le cas où cela deviendrait nécessaire.

Mais ces unités présentent un avantage encore plus grand sur les unités empiriques qui les ont précédées. L'emploi de ces unités dans les calculs n'entraîne aucun coefficient de réduction autre que des multiples de dix. L'introduction de ces coefficients de réduction provient de ce que les unités primitives, auxquelles le comité anglais a donné le nom d'unités absolues^ étaient un peu petites pour la pratique, ce qui entraînait l'emploi de grands nombres dans les calculs ; on leur a substitué des multiples décimaux de ces unités, multiples auxquels on a donné des noms spéciaux qui rappellent ceux d'hommes célèbres dans la science électrique.

L'unité de résistance adoptée est TOhm. Elle correspond à la résistance d'un fil de fer de 4 millimètres de diamètre et de 100 mètres environ de longueur. En France, on avait l'habitude, habitude qui tend à disparaître, de compter les résistances électriques en kilomètres de fil télégraphique. Le kilomètre de fil vaut environ 10 ohms. On emploie en Allemagne Vunité Siemens représentée par la résistance d'une colonne de mercure purifié d'un mètre de longueur et de un millimètre carré de section ; elle est à peu près égale à l'ohm (i).

Vunité de tension ou de force électro motrice porte le nom de Volt. Elle correspond à très peu près à la force électro-motrice développée par un élément Daniell dont la valeur exacte en volts est 1 ,079. On a employé aussi quelquefois l'unité thermo-électrique de Gaugain dont la force électro- motrice est ttV;-, du volt et ^, de l'élément DanieU.

C'est la force électro-motrice développée par un couple thermo- électrique cuivre-bismuth dont on maintient une des soudures à G* et l'autre à 100*.

Cette unité, aujourd'hui à peu prè^ abandonnée, présente l'avantage, au point de vue scientifique, d'avoir une très grande constance et de pouvoir toujours être réalisée pratiquement. On préfère cependant l'emploi du volt dont il n'existe pas d'étalon matériel, à cause de la simplicité que son emploi introduit dans les calculs.

(!) Une Commission internationale sera chargée de déterminer, pour la pratique, la longueur exacte d'une colonne de mercure de un millimètre carré de section dont la résistance à 0^ centigrade représentera matériellement la valeur de TOhm ; le nombre trouvé par» la Commission s'écartera sans doute fort peu de celui admise actuellement l«ne,0475.

Unité ^intensité. — Elle est définie par la formule de Ohm :

Elle prend le nom d'ÀHPâRE étala même valeur queTancien We6er anglais. C'est rintensilé d'un courant qui traverse un conducteur dont la résistance est de 1 ohm lorsque la différence de potentiel ou de pression électrique aux extrémités de ce conducteur est de i volt.

Unité de quantité. — Elle prend le nom de Coulomb. C'est la quantité d'électricité qui traverse, pendant une secondCy un conducteur de i ohm de résistance avec une différence de potentiel de i volt.

On voit de suite la relation entre l'intensité d'un courant et la quantité d'électricité. Un courant, dont l'intensité est de un ampère, débite par seconde une quantité d'électricité égale à un coulomb. Un courant, dont l'intensité est de j^ d'ampère, laissera passer une quantité d'électricité égale à un coulomb dans 100 secondes, etc.

Les courants employés en télégraphie varient entre 5 et 10 milli- ampères, ceux qui servent à la lumière électrique varient entre 1 et 50 ampères ; enfin dans certaines opérations électro- chimiques, l'intensité du courant atteint 1000 ampères. On a là intérêt à se servir de courants très intenses, parce que la quantité de métal déposé est proportionnelle à l'intensité du courant, c'est-à-dire à la quantité d'électricité qui passe pendant l'unité de temps.

Loi de Joule. — La loi découverte par le célèbre physicien anglais Joule

s'exprime par la formule :

Li quantité de chaleur ou de travail W développé dans un circuit électrique est proportionnelle au carré de Vintensité du courant I, à la résistance du circuit R et au temps t.

En remplaçant R par sa valeur tirée de la formule de Ohm, on trouve :

W= lE.

Le travail est proportionnel à l'intensité du courant et à la force électromotrice. Nous retrouvons encore ici l'analogie avec les cours d'eau pour lesquels le travail est proportionnel au volume et à la pression ou hauteur de chute.

Unité de capacité, — Elle prend le nom de Farad. C'est la capacité d'un condensateur qui renferme un coulomb d'électricité, lorsqu'il est chargé au potentiel de un volt La quantité d'électricité qu'il renferme est proportionnelle à la pression, comme dans un réservoir d'air comprimé, le poids d'air renfermé est proporlionoel à la pression en supposant bien entendu que l'air suive la loi de Mari otte. — En pratique, le farad est une quantité trop grande, et l'unité adoptée en pratique, est le microfarad qui en est la ;..;,.. - partie.

En résumé, nous avons cinq quantités électriques et cinq unités corres-

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pondantes : !• pression ou force électro-motrice , exprimée en Volts; 2« résistance des conducleurs, en Ohms ; 2^ débit, volume ou intensité du courant en Ampères ; 4® quantité d'électricité en Coulombs; ^^ capacité d*un condensateur en Microfarads.

Nous avons insisté tout particulièrement sur ces définitions parce que ces idées, très philosophiques cependant, ne sont pas encore entrées dans l'enseignement élémentaire français, tandis qu'elles sont classiques en Angleterre. La distribution de l'électricité et la transmission électrique de la force à distance, dont nous parlerons à la fin de ce volume, ne peuvent faire de progrès véritablement scientifiques que si on se rend bien compte des relations qui existent entre les différents éléments électriques et mécaniques en jeu dans ces phénomènes.

Classification des piles. — Les piles peuvent, à défaut d'une classification absolument méthodique, se diviser en plusieurs groupes parfaitement distincts :

1* Par la nature de V électrode soluble; dans la pratique cependant, ce caractère n'a aucune importance, car la presque totalité des piles en usage emploie le zinc comme électrode soluble;

2* Par la nature du comburant qui est tantôt un acide, Tacidc sulfurique le plus souvent, ou Facide acétique ; tantôt un sel, comme le sel marin, le sel ammoniac, le sulfate de mercure, le sulfate de plomb, etc., etc. ;

3** Par la nature du dépolarisafU, qui peut être du sulfate de cuivre, de Tacide azotique, du peroxyde de plomb, du peroxyde de manganèse ; dans certains cas, le dépolarisant et le comburant forment une seule dissolution dans le même liquide, comme par exemple la pile de Poggendorf, dans laquelle le zinc et le charbon sont plongés dans une dissolution de bichromate de potasse et d'acide sulfurique.

Sans nous astreindre à les passer toutes en revue, nous examinerons les principales par groupes de même nature, en suivant Texcellente classification de M. Alfred Niaudet dans son Trai/é élémentaire de la pile électrique.