PILES A UN SEUL LIQUIDE

Depuis la pile de Volta, on a construit un grand nombre de piles à un seul liquide ; la pile à couronne de tasses, la pile de Cruikshank^ celle de Wollaston^ la pile en hélice, la pile de MunckCy ne sont que des modifications du principe fécond découvert par le physicien italien.

La polarisation rapide de ces éléments les a fait abandonner à peu près complètement dans la pratique, et ils sont d'ailleurs décrits dans tous les traités de physique.

Dans certaines piles à un seul liquide, le cuivre a été remplacé par des électrodes d'autres substances.

En 1849, M. Walker employa des électrodes de charbon, d'autres employèrent le fer comme électrode inattaquée.

En 1840, un physicien anglais, Smée, indiqua le platine platiné pour faciliter le dégagement des bulles d'hydrogène ; Walker le remplaça, en 1857, par du charbon platiné : sous cette forme, la pile à un seul liquide est encore très employée en Angleterre pour le service des chemins de fer.

Aujourd'hui, dans les piles à un seul liquide, on entoure l'électrode négative ou pôle positif de substances de nature à faciliter le dégagement de l'hydrogène ou sa combinaison avec l'oxygène.

Dans d'autres piles à un seul liquide, on fait varier la nature du liquide. On a employé l'acide chlorhydrique, mais sans succès ; l'acide nitrique qui est trop cher et qui, comme l'acide chlorhydrique, dégage des vapeurs nuisibles; M. Ptilvermacher a employé l'acide acétique pour exciter ses chaînes galvaniques.

Indépendamment des liquides acides, on a fait usage du sel marin; les piles zinc-charbon et sel marin sont encore très employées en Suisse pour les sonneries d'appartement.

Dans sa bouée électrique M. Duchemin emploie l'eau de mer ; la pile Bagration^ le sel ammoniac; M. Stôhrcr^ une solution d'alun, etc., etc.

iO LA PHYSIQUE MODERNE.

Quel que soit le choix habile de liquide et d'électrode que Ton puisse faire, et le nombre de ces combinaisons est pour ainsi dire infini, il est fort douteux qu'on y revienne dans l'avenir, sous réserve des piles à mélanges dépolarisants dont nous décrirons quelques types.

Polarisation des piles, piles à deux liquides. — Reprenons notre élément simple de la figure 1, constitué par une lame de zinc, une lame de cuivre et de l'eau acidulée par de l'acide sulfurique. Si nous fermons le courant de cette pile sur un galvanomètre, nous produirons une déviation qui ira en s'affaiblissant jusqu'à devenir presque nulle dans certaines conditions. Cet affaiblissement de l'intensité du courant, quelles que soient les causes qui le produisent, prend le nom de polarisation.

La polarisation de la pile tient à plusieurs causes dont voici les principales. L'impureté du zinc, en créant de petits couples secondaires au sein même du zinc, est une cause qui tend à diminuer la force électro-motrice du couple. Kemp proposa en 1839 l'emploi du zinc amalgamé qui fit disparaître cet inconvénient, et, à la même époque Grove lut un mémoire à l'Académie des sciences pour expliquer l'importance du zinc amalgamé dans les piles. Aujourd'hui on amalgame les zincs de toutes les piles. L'appauvrissement du liquide par l'action chimique tend aussi à affaiblir le courant, en partie par l'affaiblissement de l'action chimique, et en partie par l'augmentation de résistance opposée par le liquide au passage du courant.

Le transport du zinc sur le cuivre par le courant tend aussi à diminuer son intensité parce que le cuivre recouvert de zinc et attaqué par l'acide de l'élément, produit un nouveau courant en sens inverse du courant principal.

Mais la cause la plus puissante de la polarisation est le dépôt d'hydrogène qui s'effectue sur le cuivre.

L'oxydation du zinc et sa transformation en sulfate de zinc ont pour effet de produire une certaine quantité d'hydrogène qui se dépose sur la lame éleclro-négative (cuivre, platine ou charbon). Ce dépôt de gaz sur la lame de cuivre oppose un obstacle matériel

à la transmission du courant par les bulles de gaz. D'autre part, cet hydrogène constitue avec Toxygène dégagé sur Tautre électrodeune sorte de pile à gaz, et, par suite, un dégagement électrique en sens inverse du premier. Une pile théoriquement parfaite dans laquelle on pourrait faire disparaître toutes ces causes de polarisation fournirait un courant constant^ et mériterait vérita* blement le nom de pile constante. En pratique, on donne le nom de piles constantes à toutes les combinaisons voltaïques qui ont pour but d'empêcher ou de diminuer le dépôt d'hydrogène sur la lame électro-négative. Nous verrons, en passant en revue les piles actuellement en usage, les différents procédés par lesquels on réalise plus ou moins ce desideratum.

Pour continuer notre comparaison entre une pile, foyer d'électricité, et un foyer de chaleur, nous dirons que la polarisation dans les piles est un phénomène analogue au manque de tirage dans une cheminée. Ce manque de tirage produit un abaissement de la température, une diminution dans la quantité de chaleur dégagée et une mauvaise utilisation du combustible. Dans la pile ces effets se traduisent par une diminution de la force électromotrice, de l'intensité du courant et par l'usure du zinc presque en pure perte.

Conditions théoriques d'une pile parfaite. — Voici, d'après M. Fleeming-Jenkin, les conditions essentielles qu'une telle pile devrait remplir :

1" EUe devrait posséder une grande force électro-motrice ;

2^ Elle devrait avoir une résistance intérieure faible et constante ;

3* Sa force électro-motrice devrait être constante quel que soit le courant produit au point de vue de l'intensité ;

4* Les matières employées devraient être à bon marché ;

5*^ La pile ne devrait rien dépenser lorsqu'elle ne produit pas de courant, c'est-à-dire lorsqu'elle est en circuit ouvert ;

6* Sa disposition devrait être telle que l'on puisse vérifier facilement son élat, son fonctionnement et ajouter des substances aouvelles lorsqu'elles sont nécessaires.

12 LA PHYSIQUE MODEtlNE.

Aucune pile connue ne réalise toutes ces conditions au plus haut degré. Les exigences spéciales à chaque application doivent guider dans le choix d'un élément convenable pour Tusage qu'on se propose d'en faire.

Piles à deux liquides à sulfate de cuivre. — L'emploi du sulfate ou de l'azotate de cuivre comme dépolarisant fut indiqué pour la première fois par Becquerel^ en 1829, à la suite de longues et nombreuses expériences. Les résultats obtenus furent très satisfaisants et il s'en servit toujours depuis cette époque.

C'est seulement en 1836 que Daniell imagina la pile qui porte son nom. Les piles Becquerel et Daniell ne difiëraient que par la nature de la cloison poreuse, qui était en baudruche dans la pile de Daniell, et en kaolin dans l'élément Becquerel, auquel on substitua plus tard des vases poreux en terre de pipe dégourdie.

Tout le monde connaît la disposition de l'élément Daniell, nous n'y reviendrons pas. Sa force électro-motrice est de 1,079 volt^ lorsque l'acide sulfurique est étendu de quatre fois son poids d'eau, et sa résistance intérieure varie, suivant la grandeur des éléments, leur état, etc., entre un et vingt ohms. Cependant quelques piles médicales, dont les dimensions sont très petites, pour qu'elles soient facilement transportables, ont jusqu'à 100 et mê;ne 200 ohms de résistance intérieure.

On a donné un grand nombre de formes à la pile Daniell.

On a construit des piles à ballon, des piles à cuivre extérieur, des piles à auges. La pile Daniell à auges construite par M. Muirhead est très employée en Angleterre, et le Post-Office de Londres en a plus de 20,000 pour son service télégraphique.

M. Carré dL construit une pile Daniell dans laquelle le vase poreux était remplacé par un yase de papier parcheminé qui diminuait considérablement la résistance intérieure de la pile et a permis de faire de la lumière électrique avec 60 cléments. C'est la première fois que la pile Daniell a pu être employée pour cette application qui demande, comme on le sait, un courant d'une certaine intensité.

M. MinottOy de Venise, a imaginé une pile à sable très em-

ployée en Italie et dans Tlnde anglaise ; la séparation des deux liquides provient de leur différence de densité ; le zinc et le cuivre sont formés de deux disques plats horizontaux, le cuivre en dessous. Le sulfate de cuivre est séparé du sable par une feuille de papier buvard ou un morceau de toile. Celle pile offre une assez grande résistance intérieure, mais rend d'excellents services on télégraphie.

M. Trouvé a modifiée la pile Daniell, dans le but de l'appliquer aux usages médicaux, en la construisant sans liquide, ou du moins sans liquide libre pouvant se renverser ou fuir des vases qui le contiennent.

Pile Gallaud. — L'idée de séparer les deux liquides de la

Fig. 2. — Pile Callaud, modèle Trouvé.

pile Daniell en se fondant sur leur différence de densité a été trouvée en même temps par M. Callaud en France, et Meidinger en Allemagne. Il en existe actuellement un très grand nombre de modèles. Celui que nous représentons (fig. 2) présente une très grande simplicité, et par suite un bon marché en rapport avec cette simplicité. Le vase de verre n'a que 12 centimètres de haut et 7 de diamètre. Le zinc est retenu par trois saillies ou plis faits avec une pince. Le cuivre est formé par une spirale de fil de cuivre plate qui se relève verticalement au milieu du vase ; cette partie verticale est protégée par un petit tube de verre. La liaison des éléments a lieu au moyen d'un petit boudin qui ter-

u La physique moderne.

mine le fil de cuivre soudé au zinc et dans lequel s'engage le fil de cuivre qui constitue le réophore de Télément suivant.

Pour les applications médicales des courants continus, M. Chii" mtis emploie une pile de petite dimension dans laquelle le yase poreux est un tube de verre fermé par une bourre et renfermant le sulfate de cuivre. M. 7. Seure, de Saint-Germain-en-Laye, se sert de tubes en U dont la partie inférieure est remplie par de la silice formant cloison poreuse. Ce sont là des piles à grande résistance intérieure et par suite à faible débit.

Pile de sir ^William Thomson. — Cette pile à grande surface est formée par des auges en bois doublées de plomb à l'intérieur. La plaque de cuivre est au fond, et le zinc, en forme de grille, repose sur des tasseaux de bois; les plaques zinc et cuivre sont ainsi très rapprochées, la pile a donc une très faible résistance qui ne dépasse pas 0,1 ohm. C'est donc une pile à grand débit. Sept ou huit de ces éléments superposés forment une pile énergique et constante appliquée par sir W. Thomson au moteur du mouse-mill de son siphon-recorder.

Pile de M. E. Reynier. — Dans cette pile le dépolarisant

ffffT

Mg. a. — Pile de M. E. Reynier.

est toujours le sulfate de cuivre, mais le zinc plonge dans une solution de soude caustique additionnée d'une dizaineTd'autres sels qui rendent sa composition fort complexe. Le vase poreux est en parchemin, le zinc dans le vase poreux, le cuivre à Texte-

rieur. Dansle modèle plat représenté ci-contre (fig. 3) dontla hauteur est de 20 centimètres et la capacité de 3 litres, la force électromotrice initiale est 1,47 volt, la résistance intérieure 0,075 ohm. M. Reynier avait espéré, dans le principe, régénérer industriellement et économiquement sa pile pour l'appliquer aux petits moteurs électriques et à l'éclairage privé. II y a renoncé

Cuivre. Zinc.

Fig. 4. — Détails de la pile Reynier.

depuis pour chercher la solution dans les accumulateurs dont nous parlerons plus loin.

Piles à sulfates. — On a constitué des piles dans lesquelles le sulfate de cuivre et la lame de cuivre sont remplacés par une lame d'un autre métal et le sulfate correspondant; mais ces appareils n'ont, pour la plupart, aucun intérêt pratique. La plus importante est celle au sulfate de mercure de Marié-Davy. Le sulfate de cuivre est remplacé par le sulfate de mercure et la lame de cuivre par une plaque de charbon. L'action chimique est analogue à celle de la pile Daniell, sauf que le sulfate de mercure est à peu près insoluble. On a aussi employé des piles à sulfate de mercure sans vase poreux, et, dans la pile à renversement de M. Trouvé, c'est la dissolution de mercure qui forme à la fois le dépolarisant et le comburant.

Pile hermétique aubisulfate de mercure deM. Trouvé. — La pile représentée en grandeur naturelle (fig. 5) est formée d'un couple zinc-charbon renfermé dans un étui A'ébonite ou

caoutchouc durci, fermé hermétiquement. Le zinc et le charbon n'occupent que la moitié supérieure de Tétui, l'autre moitié est occupée par le liquide excitateur, qui est une solution de sulfate de protoxyde de mercure. Tant que l'étui est vertical, le zinc en haut, le couple ne plonge pas dans le liquide, il n'y a donc pas de production d'électricité ; en renversant l'étui, on immerge le zinc et le charbon circulaire, le courant se produit aussitôt pour cesser dès qu'on redresse l'étui. De là le nom de pile à renversement donné aussi à ce petit appareil. M. Trouvé l'a appliqué à différents appareils d'induction, à son explorateur électrique et

Fig. 5. — Pile hermétique de M. Trouvé

à ses petits bijoux électriques. (Voir les Récréations scientifiques de M. Gaston Tissandier, bibliothèque de la Nature.)

MM. Gaiffeei /fwAmAory^ emploient aussi des piles à sulfate de mercure à un seul liquide pour exciter les bobines d'induction de leurs petits appareils médicaux de poche.

Piles à sulfate de plomb. — Le sulfate de plomb a été employé pour la première fois par Becquerel^ puis en 1860 par Marié'Davy qui donna à l'élément la forme de la pile Daniell sans vase poreux de sir William Thomson. M. Edmond Becquerel a ramené la pile à la forme habituelle des éléments Daniell.

Aujourd'hui ces piles sont abandonnées à cause de l'énorme résistance intérieure des éléments.

Piles à acides. — La première pile à acide nitrique comme dépolarisant date de 1839 et est due à un éminent physicien anglais, Grove. Dans la pile de Grove, l'électrode négative ou pôle positif est constituée par une lame de platine placée dans une solution d'acide azotique concentré plongeant dans le vase

poreux. Grove avait proposé de remplacer le platine par du charbon de bois ou de cornue, mais il ne donna pas suite à cette idée qui fut reprise, en 1843, par un physicien allemand, Bwiseii^ de Heidelberg.

Toutes les piles ^i/n^en construites jusqu'en 1849 étaient faites avec du charbon aggloméré moulé en cylindre creux placé avec Tacide dans le cylindre extérieur^ et le zinc placé à l'intérieur du vase poreux.

Fig. 6. — Pilo Leclanché à agglomérés.

C'est seulement en 1849 que M. Archereau imagina d'employer du charbon de cornue taillé en prisme et placé dans le vase poreux avec le zinc roulé placé à l'extérieur. De sorte que la pile connue universellement sous le nom de pile Bunsen est bien réellement l'invention de M. Archereau.

La pile Bunsen a reçu depuis une foule de modifications qui n'ont pu faire abandonner le type primitif imaginé par Archereau.

HospiTALiEn. — Électricité. 2* édition. 2

Ruhmkorff ^ cependant construit une pile Bunsen à éléments plats qui présente deux avantages, une petite résistance intérieure due au rapprochement et à la grande surface des électrodes, et un faible volume d'acide nitrique, à cause du peu d'épaisseur et de capacité du vase poreux dont le charbon, formé d'une large plaque, occupe environ le tiers.

M. Tommasi a modifié aussi la pile de Bunsen dans le but de supprimer les vapeurs nitreuses et de rendre l'appareil pratique pour l'éclairage domestique. Nous attendons encore la réalisation de ses belles promesses.

On a aussi essayé comme dépolarisant les acides chloriquc, chromique, chlorhydrique, l'eau régale, etc., mais la pratique n'a pas sanctionné ces piles, qui sont restées jusqu'ici à l'état d'expériences de laboratoire.

Piles à oxydes. — Puisque la dépolarisation dans les piles s'opère par l'oxydation de l'hydrogène, on peut obtenir ce résultat en employant des oxydes faciles à décomposer.

De la Rive a employé le peroxyde de plomb et le peroxyde de manganèse, il y a plus de trente ans déjà, mais ses piles ne furent pas mises en usage et étaient tombées dans l'oubli, lorsque M. Leclanché imagina la pile qui porte son nom et qui est aujourd'hui universellement employée.

Pile au peroxyde de manganôse de M. Leclanché. — Dans les premiers modèles, le charbon était placé au milieu du vase poreux rempli d'un mélange à parties égales de peroxyde de manganèse et de charbon de cornue. Le zinc est placé dans le vase extérieur rempli à moitié d'une solution de chlorhydrate d'ammoniaque.

Dans le nouveau modèle représenté (fig. 6), le vase poreux est supprimé. On applique contre le charbon, à l'aide de jarretières en caoutchouc, des agglomérés formés d'un mélange de 40 parties de pyrolusi te, 55 de charbon et 5 de résine gomme-laque comprimés à 300 atmosphères et chauffés en même temps h 100^

Suivant la puissance de la pile, on met un, deux ou trois agglo-

inérés contre le charbon. Le modèle de la figure 6 appliqué aux sonneries ordinaires en a deux. Pour les allumoirs électriques, on emploie, pour diminuer la résistance intérieure, des lames de zinc au lieu de crayons.

L'action chimique n'a lieu que lorsque le circuit est fermé. La force électro-motrice varie entre 1,4 et 1,5 volts.

La pile Leclanché ne contient pas de substances vénéneuses, ne répand pas de vapeurs acides ni d'odeur appréciable, les matières qu'elle emploie sont d'un prix peu élevé et résistent aux froids les plus intenses.

La dépolarisation obtenue parle bioxyde de manganèse n'est pas complète et, en court circuit, la force électro-motrice baisse rapidement. Mais elle se dépolarise très rapidement en circuit ouvert.

Pour les sonneries d*appartement, les piles Leclanché peuvent durer quatre et cinq années, sans autre préoccupation que celle d'ajouter de temps en temps un peu d'eau dans le vase extérieur, pour remplacer celle qui se perd par l'évaporation.

Pile au sesquioxyde de fer et au chlorhydrate d'ammoniaque de MM.Clamond et Gaiffe. — Cette pile ne diffère de celle de M. Leclanché que par la substitution de l'oxyde de fer à l'oxyde de manganèse. Lorsque le circuit est fermé, le chlorure d'ammonium ou chlorhydrate d'ammoniaque attaque le zinc et forme avec lui du chlorure double d'ammonium et de zinc ; l'ammonium mis en liberté se porte sur le sesquioxyde de fer qu'il décompose en s'emparant d'une partie de son oxygène et forme avec

Fig. 7. — Pile Clamond et Gaiffe.

20 LA PHYSIQUE MQDERNE.

ce dernier de rammoniaque libre qui disparait parTévaporation.

Cet élément, représenté figure 7, se compose d'un vase en verre, d'un prisme de charbon C, aggloméré et poreux, contenant le sesquioxyde de fer dans ses pores, et d'une baguette de zinc amalgamé Z. Un bouchon mastiqué ferme le vase et empêche l'évaporalion du liquide qui est une dissolution de chlorhydrate d'ammoniaque.

La force électro-motrice du couple est de 1,2 volts; il peut être employé pour les batteries médicales à courant continu, les sonneries électriques et les télégraphes domestiques, mais son énorme résistance intérieure en fait une source électrique peu puissante.

Piles à chlorures. — Dans ces piles, on effectue la dépolarisation par le chlore au lieu de l'effectuer par l'oxygène.

Nous signalons seulement pour mémoire la pile au chlorure de platine indiquée par Daniell^ qui, d'une grande valeur au point de vue théorique, serait trop coûteuse en pratique.

Pile au chlorure d'argent de M. Warren de la Rue. — C'est M. Marié'Davy qui s'est servi le premier du chlorure d'argent comme dépolarisant, en 1860, mais M. Warren de la Rue en fait usage dans sa pile depuis 1868, et les perfectionnements qu'elle a reçus depuis cette époque sont dus aux recherches faites par ce savant sur les courants de haute tension.

La figure 8 représente l'ensemble d'un groupe de dix éléments montés en tension, et la figure 9, les différentes parties qui constituent chaque élément.

Le vase extérieur est un cylindre de 13 centimètres de long et de 3 centimètres de diamètre ; l'électrode soluble est un crayon de zinc non amalgamé (c'est une rare exception à l'emploi du zinc amalgamé). M. de la Rue emploie de préférence le zinc de la Vieille-Montagne, à cause de sa bonne qualité : un trou percé à la partie supérieure de ce crayon de zinc sert à recevoir le petit ruban d'argent qui forme le pôle positif de l'élément suivant, le contact est assuré par une petite goupille de laiton C légèrement conique. La seconde électrode est formée d'un ruban d'argent

LES PILES ELECTRIQUES.

autour duquel on a fait fondre un cylindre de chlorure d'argent AgCl. Ce bâton de chlorure d'argent est placé dans un petit cylindre de papier-parchemin A qui évite les contacts accidentels. Le liquide est une solution de 23 grammes de chlorhydrate d'ammoniaque pour un litre d'eau. Le vase extérieur est fermé par un bouchon de paraffine qui est un des meilleurs isolants connus et qui, par le fait qu'elle est anti-hygrométrique, em-

Fig. 8. — Pile de M. Warren de la Rue.

pêche l'eau qui pourrait être répandue à sa surface de s'étaler et d'établir des dérivations nuisibles.

L'action est fort simple : le zinc se dissout et remplace l'argent dans le chlorure ; l'argent provenant de la décomposition se dépose en une masse poreuse, d'abord à la surface, puis peu à peu dans la masse du chlorure d'argent. Cette pile ne donne lieu à aucune action locale tant que le circuit extérieur n'est pas fermé. Le comburant est ici un corps solide, le chlorure d'argent, qui ne se dissout pas dans le liquide en contact avec lui, mais qui fournit le chlore nécessaire à la dissolution du zinc.

La force électro-motrice varie entre! et 1,07 vo/^5; sa résistance intérieure dépend du temps de service et des dimensions de rélément. Dans le type que nous venons de décrire, la résislance varie entre entre 2,7 et 4,3 ohms.

M. Gûî^iff emploie aussi la pile au chlorure d'argent pour les

courants continus, et pour les appareils médicaux d'induction ;

ces éléments sont de très petite dimension et hermétiquement

clos dans des boîtes d'ébonite fermées par des couvercles à vis.

M. Duchemin a proposé en 1866 l'emploi du perchlorure de

fer comme dépolarisant, mais il ne se produit dans l'élément qu'une dépolarisation incomplète, et le zinc se recouvre bientôt de dépôts peu conducteurs.

M. Marié'Davy a essayé le chlorure de plomb , mais la force électro-motrice de cet élé-

IM 11 ment est faible ; le chlorure de il w plomb est assez cher, la pile ne

Il il présente donc pas d'avantage

m ' ^Ê spécial.

Dans la pile de M. Niaudet, le zinc plonge dans une solution de chlorure de sodium, et le charbon dans une solution de chlorure de chaux qui joue ici le rôle de dépolarisant.

Le chlorure de chaux du commerce, employé comme décolorant et désmfectant, est un mélange de chaux, d'hvpochlorite de chaux et de chlorure de calcium. L'acide hypochloreux que contient l'hypochlorite est composé d'oxygène et de chlore qui peuvent se combmer tous deux avec l'hydrogène pour former de l'eau et de l'acide chlorhydrique.

Ce dernier acide attaque la chaux et produit du chlorure de calcmm ; tous les corps qui prennent naissance étant solubles, le

Fig. 9.