CHAPITRE II

Les piles thermo-électriques sont des appareils qui transforment directement la chaleur en électricité. La découverte de ce fait, de la plus haute importance, fut faite en 1821 par Seebeck, professeur à Berlin. En soudant sur une lame de bismuth les

Fig. 10. — Expérience de Seobeck.

extrémités d'une lame de cuivre recourbée de manière à laisser un espace vide entre les deux lames, Seebeck reconnut qu'en chauffant une des soudures de ce système métallique, une aiguille aimantée, placée entre les deux lames, se trouvait déviée, le courant allant toujours de la soudure chaude à la soudure froide, à

travers la lame de cuivre, et de la soudure froide à la soudure chaude à travers la lame de bismuth.

Becquerel attribue la production du courant dans les couples thermo-électriques à Tinégale propagation du calorique à travers les différentes parties du circuit hétérogène constitué par les deux métaux différents.

Quels que soient les métaux qui entrent dans la composition des couples thermo-électriques, ils se distinguent facilement des couples hydro-électriques par la nature des courants engendrés. Dans la pile, en effet, chaque couple ou élément possède une forte tension variant de 1 à 2 volts et une assez grande résistance intérieure (variant de 0,2 à 15 et 20 ohms); dans le couple thermo-électrique, au contraire, pour une différence de température que nous supposons être de 100** entre les soudures, la force électro-motrice, très variable avec la nature des éléments constitutifs et la température moyenne des deux soudures, varie entre ^^ et ^J;; de un volt, tandis que la résistance intérieure de l'élément est extrêmement faible. On exprime ce fait en disant que les piles thermo-électriques donnent de la quantité et peu de tension, aussi faut-il en réunir un grand nombre en tension pour avoir une certaine force électro-motrice.

Becquerel, en faisant des expériences entre 0" et 20* sur différents métaux, a pu les classer dans un ordre tel que chacun d'eux est positif par rapport à ceux qui le précèdent et négatif par rapport à ceux qui le suivent. Voici Tordre des métaux expérimentés par Becquerel :

Bismuth, platine, argent, étain, plomb, cuivre, or, zinc, fer, antimoine. Il semblerait, à priori^ qu'en prenant, pour former un couple thermo-électrique les éléments les plus éloignés de la série, on puisse obtenir, pour une différence de température donnée, la plus grande force électro-motrice. D'autres considérations d'ordre théorique et pratique montrent qu'il n'en est rien.

La pratique indique le choix de métaux, d'alliages ou de substances dans lesquelles la différence de température des soudu-

res puisse être maintenue au plus haut degré possible sans altérer la pile. Au point de vue du prix d'établissement d'une pile, la nature des métaux employés joue aussi un certain rôle.

La loi des courants thermo-électriques qui établit que la force électro-motrice est proportionnelle à la différence des températures n'est exacte qu'à la condition de faire intervenir une considération spéciale à la température moyenne des deux soudures et au point neutre qui varie avec la nature des métaux employés. Un exemple fera mieux comprendre qu'une explication théorique ce qu'il faut entendre par point neutre dans un couple thermo-électrique.

Prenons, par exemple, un couple thermo-électrique constitué par les deux métaux cuivre et fer. Supposons que la soudure froide du couple soit à 70* et la soudure chaude à 450*. Le couple ainsi constitué ne sera traversé par aucun courant^ bien que la différence de température des deux soudures atteigne 380*. Gela tient à ce que le point neutre du fer par rapport au cuivre est a 210% c'est-à-dire qu'à 210* le courant thermo-électrique fourni par les deux métaux change de siçne, et comme la température moyenne entre les deux soudures est précisément égale à 210*, il en résulte la production de deux courants égaux en tension, mais de signes contraires, qui, par conséquent, se détruisent.

Tout en maintenant une grande différence de température entre les deux soudures d'un couple thermo-électrique, il faut donc éviter que les températures soient, l'une supérieure et l'autre inférieure au poi7it neutre correspondant aux deux métaux qui composent le couple, car on ne recueillerait alors qu'uu courant différentiel, susceptible de devenir nul lorsque la température moyenne des deux soudures correspond au point neutre (1).

Dans un couple thermo-électrique, si la différence des températures est constante, le courant est lui-même constant, car

(1 ) Voir, pour plus de détails, Electricity and magnetism de Fleeming-Jenkin et les PhUosopMcal transactions, 1856, page 708.

il ne se produit pas de polarisation ni de variation dans la résistance du couple. La force électro-motrice d'une pile thermoélectrique est proportionnelle au nombre des éléments qui la constituent, absolument comme pour les piles hydro-électriques.

Ces principes une fois posés, nous allons passer en revue les différents couples thermo-électriques employés dans la pratique.

Œrsted et Fourier ont construit la première pile thermo-électrique proprement dite ; elle se composait de petits barreaux de bismuth et d'antimoine soudés à la suite les uns des autres en ligne droite. Les barreaux de bismuth se terminaient par une partie soudée qui plongeait dans de la glace à zéro, tandis que les autres soudures étaient portées à une température de 200 à 800° par de petites lampes.

Nobili a simplifié la pile de Fourier en repliant les barreaux en zigzag, il a pu faire rentrer 50 éléments dans un cube de 2 centimètres de côté. Melloni Ta appliquée à son thermomultiplicateur.

Pile de Marcus. — Elle est fondée sur l'emploi d'alliages au lieu de métaux simples, l'un formé de nickel, cuivre et zinc, connu sous le nom ^arge^it allemand^ l'autre d'antimoine, de zinc et de bismuth ; les soudures homologues pouvaient être chauffées chacune par un petit bec ftunsen. Wheatstone et M. Ladd construisirent chacun une pile avec les alliages préconisés par Marcus et purent obtenir, le premier des étincelles, rincandescence d'un fil de platine qt la décomposition de l'eau dans un voltamètre; le second put faire fonctionner une bobine de Ruhmkorff donnant 38 millimètres d'étincelle.

Pile de Former. — M. Farmer, de Boston, avait présenté en 1868 une pile analogue à celle de Marcus dont les lames positives étaient constituées par un alliage de 10 parties de cuivre, 6 de zinc et 6 de nickel, et les lames négatives par un alliage de 12 parties d'antimoine, 5 de zinc et 1 de bismuth ; les deux métaux étaient vissés l'un dans l'autre, les jonctions inférieures chauffées par un bec de gaz et les jonctions supérieures refroidies par un courant d'eau.

Pile de M. Ed. Becquerel. — En 1865, M. Ed. Becquei-cl, en faisant des recherches sur le pouvoir Ihermo-électrique du sulfure de cuivre artificiel, trouva que cette substance chauffée à 200 ou 300* est fortement positive, le sulfure artificiel ne fondant qu'à plus de IGOO*". On peut remployer à des températures très élevées. Le métal que lui associa M. Ed. Becquerel est du maillechort (90 de cuivre et 10 de nickel), la pile est chauffée au gaz et refroidie par une circulation d'eau (1).

Pile thermo-électrique de No6. — L'usage de cette pile

Fig. II. — Pile thermo-électrique de Noë.

est très répandu en Autriche et en Allemagne. Sous la forme représentée figure H elle n'exige que deux brûleurs Bunsen pour mettre en action quarante éléments, trois pour soixante

(I) Voir la description et les dessins dans le Traité élémentaire de physique de Ganot, \1^ édilioii.

32 Lk PHYSIQUE MODERNE.

cléments et ainsi de suite par groupe de vingt, suivant les applications qu'on a en vue.

Les éléments dans chaque groupe sont placés horizontalement et se présentent comme les rayons d'un cercle, les soudures chaudes au centre, les soudures froides à la circonférence.

Les deux métaux employés sont du maillechort ou argentmi, et un alliage d'antimoine et de zinc. A la soudure chaude ces métaux sont soudés ensemble sans l'intermédiaire d'aucun autre métal; les fils de maillechort pénètrent par leur extrémité dans une petite caspule de laiton qui sert de fond au moule dans lequel on coule l'autre métal. La figure f 2 représente deux éléments séparés en grandeur naturelle; la petite capsule c reste attachée à l'élément et fait partie de l'appareil. Dans cette même capsule pénètre une petite lige de cuivre rouge r, dont l'extrémité se trouve également saisie dans le métal fondu et qui amène la chaleur à la soudure chaude par conductibilité.

Les extrémités de ces tiges de cuivre forment un petit cercle, saisies entre deux lames de mica et chauffées toutes à la fois par une flamme unique, un brûleur de Bunsen le plus souvent. On emploie quelquefois une lampe à esprit-de-vin.

En chautTant les soudures par conductibilité, on les ménage

et on les protège contre le surchauffage qui aurait pour effet de fondre le métal et de mettre la pile hors de service. On évite la perte de chaleur par rayonnement de ces petites tiges de

Fig. 12. — Détails d'ua élément de la pile suivre en leS rCCOUVraul d'uU thermo-électrique de No6. ^^^.^ ^^^^ .^^^^^^ ^ ^^^^^ j^^

Pour la soudure froide, le métal fusible est soudé à une plaque de cuivre à laquelle on soude les fils de maillechort de l'élément suivant ; la plaque de cuivre de forme cylindrique présente une grande surface de rayonnement favorable à son refroidissement auquel contribue d'ailleurs la circulation d'air qui se fait à l'intérieur des tubes de cuivre.

Si Ton se met dans les meilleures conditions possibles, c'est-

Fig. 13. — Pile thermo-électrique de M. Clamond, chauffée au gaz.

à- dire en chauffant les soudures à un degré très voisin de leur

Fig. 14. — Pile thermo électrique de M. Clamond. — Coupe suivant Taxe vertical.

T. Tubulure servaur à l'arrivée du gaz. — A. Tuvau eu terre réfractaire percé de trous à travers lesquels s'échappe le m mélangé d'air pour brûler dans l'espace annulaire eilérieur. — D. Prise d'air serrant à la combustion. — B, B. Barreaux thermo-électriques. — r, r. Rondelles en «niante serrant à isoler les éléments du générateur.

point de fusion, tandis que les éléments Marcus ne donnent

Hospitalier. — Électricité. 2* édition. 3

qu'une force électro-motrice de j^ de volt, les éléments Noé, d'après les expériences de M. Waltenhofen, ont une force électro-motrice comprise entre | et j^ de volt.

En pratique, ces chiffres ne sont pas atteints, car on ne peut pas chauffer également tous les éléments, et il faut compter sur une moyenne de ^ de volt par élément ; dans ces conditions la résistance intérieure est égale à^ d'ohm.

Chaque groupe de vingt éléments a donc une force électromotrice de 1,25 volts et une résistance intérieure de 0,5 ohms.

Signalons, comme perfectionnement pratique, un régulateur de la pression du gaz qui évite un surchauffage de la pile et les accidents qui en dérivent.

Cet appareil de sûreté consiste en un flacon de verre (Gg. 14) contenant de l'eau et fermé par un bouchon de liège. Deux tubes y pénètrent : le premier BB est un branchement du tube d'arl'ivée du gaz et va jusqu'au fond du flacon ; le second H n'arrive pas jusqu'au niveau de l'eau, il sert à évacuer le gaz qui peut se dégager dans le flacon et l'amène devant un autre petit branchement terminé par un bec de gaz I, constamment allumé. Si la pression pour laquelle l'appareil est réglé est dépassée, le gaz sort en bulles dans le flacon, traverse l'eau, sort en G et s'enflamme pour ne pas produire d'accidents ou répandre une mauvaise odeur.

Le flacon fonctionne donc comme une véritable soupape de sûreté. Il suffit de vingt éléments pour décomposer Teau et de quarante pour charger une pile secondaire de M. Gaston Planté et faire fonctionner une bobine d'induction.

11 suffit de deux minutes pour que la pile fournisse le courant, et l'on peut arrêter le fonctionnement dès qu'on n'a plus besoin d'électricité. La pile ne s'altère pas avec le temps comme les autres piles décrites jusqu'ici, dans lesquelles le chauffage continu produirait une augmentation considérable do la résistance intérieure et par suite un affaiblissement correspondant dans l'intensité du courant dans le circuit extérieur.

Pile Mure et Clamond. — La première pile construite par

M. Clamond^ en collaboration avec M. Mure^ fut présentée à rinstitut par Becquerel le 31 mai 1860. Elle était formée de galène et de lames de plomb. Par Fusage, celte pile diminuait (rintensité, par suite de l'augmentation de résistance intérieure provenant de Toxydation des contacts des lames de fer avec Ir barreau cristallisé sous Tinfluence de la chaleur, et, en second lieu, de la fendillation du barreau et de la séparation de ses différentes parties suivant des plans perpendiculaires à sa longueur.

Pile Glamond. — Le 20 avril 1874, M. Jamin a présenté à l'Académie des sciences une nouvelle pile de M. Clamond, chauffée au gaz, dans laquelle ces inconvénients sont évités. M. Clamond a adopté, pour la confection de ses couples, Falliage de zinc et d'antimoine de Marcus, qui est bon conducteur de Télec- Iricité et qui rend la fabrication par coulage beaucoup plus facile.

L'armature est formée de lames de fer de préférence au cuivre et à l'argentan, parce que le fer résiste très bien, tandis que ces métaux, attaqués et dissous par Talliage, sont mis rapidement hors de service. Les barreaux sont assemblés en couronnes et accouplés en tension.

Ces couronnes superposées, de dix éléments chacune, sont séparées par des rondelles d'amiante. Le tout forme un cylindre luté à l'intérieur par de l'amiante (fig. 14) et chauffé au gaz à Taide d'un tuyau réfractaire percé de trous. Le gaz, mêlé à l'air, sort de ce tuyau et vient brûler dans l'espace annulaire compris* entre le tube elles barreaux. Les extrémités des couronnes viennent aboutir à des pinces en cuivre fixées sur deux planchettes, ce qui permet l'accouplement des couronnes de dix éléments en tension ou en quantité. On règle la dépense de gaz par un rhéo-

Fig.

- Pile thermo-électrique do M. Clamond.

Vue en plan des barreaux assemblés el de leurs armatures. — B, B. Barreaux thermo-élec- Iriques — L, L. Lames formant armatures.

mètre Giroud. Les figures 13, 14 et 15 représentent la ^utextérieure, la coupe longitudinale et le plan d'une couronne de la pile Clamond ; les légendes qui accompagnent la coupe et le plan suffisent pour en faire comprendre les dispositions. Cet appareil de cinquante éléments dépense fr. 05 de gaz à Theure et peut déposer 20 grammes de cuivre à Theure. Il est employé par rimprimerie de la Banque de France et les ateliers d'héliogravure de MM. Goupil et C*" à Asnières.

Pile Clamond, chauffée au coke. — Depuis 1874 M. Clamond a continué ses études sur les piles thermo-électriques, et, le 5 mai 1879, M. le comte du Moncel a présenté à T Académie des sciences une nouvelle pile beaucoup plus puissante que ses devancières avec laquelle on a pu obtenir de la lumière électrique.

La figure 16 représente une vue d'ensemble de la nouvelle pile de M. Clamond ; les figures 17 et 18 donnent les détaiU principaux.

L'ensemble de l'appareil comprend trois parties :

1* Le foyer et le collecteur dont le but est de chauffer les soudures intérieures de la pile ;

2° La pile proprement dite, disposée en couronne ;

3* Le diffuseur qui a pour but de refroidir les soudures extérieures.

Foyer et collecteur. — Le chauffage de la pile se fait à la houille ou au coke. Les gaz de la combustion, en sortant du foyer C (fig. 16), traversent un conduit cylindrique en fonte C, redescendent en D par une série de carneaux disposés en couronne, remontent en E dans une seconde série de carneaux et s'échappent finalement dans l'atmosphère par une cheminée A. Le chauffage des éléments n'est donc pas direct; il n'y a même aucun contact entre les éléments et les gaz chauds, mais ces gaz chauffent la masse de fonte dans laquelle ils circulent, cette masse agit comme collecteur àa chaleur, la communique aux éléments en la répartissant d'une manière plus uniforme.

Pile. — La pile se compose d'une série de chaînes disposées en couronne autour du collecteur et chauffées par leur face inté-

rieure. La pile de 3000 couples comprend 60 chaînes de 50 couples chacune.

Chaque couple se compose d'un barreau thermo-électrique <le 3 centimètres de longueur, autant de largeur et 3 centimètres (répaisseur. Ces petits prismes sont formés d'un alliage de bismuth et d'antimoine et reliés entre eux par des armatures en

Fig. 16. — Pile thermo-électrique de M. Clamond. Chauffage au coke.

fer (lig 18). Ces armatures sont découpées dans des feuilles de tôle mince et tordues à leurs extrémités P et P' en tirebouchon. Pour fabriquer une chaîne, on dispose dans un moule spécial une série de ces armatures après avoir entouré la partie pleine G d'un carton d'amiante, et on coule l'alliage dans le moule. Les cinquante éléments sont ainsi fabriqués d'un

Fig. 17. — Pile Clamond. A, collecteur.

— T, chaîne ihermo-clectrique. — B, diffuseur.

seul coup, les parties P et P' de chaque armature sont reliées à deu\ couples successifs par une soudure autogène. Les chaînes sont disposées verticalement et en couronne entre le collecteur A elle diffuseur B (fig. 17) en disposant entre eux et les chaînes

des lames minces de mica qui les isolent électriquement, tout en se laissant traverser par la chaleur.

Dans la pile de 6000 éléments, on établit deux groupes de 3000 élémentschacundisposésen tension.

Pour une température des soudures chaudes de 360'* et une température de 80* pour les soudures froides, les 3000 éléments représentent, d'après les expériences de M. G. Cabanellas, une force électro-motrice de 109 volts et une résistance intérieure de 15,5 ohms.

Di^iiseur. — Le but du diffuseur est de maintenir les soudures extérieures des chaînes à une température aussi basse que possible, température qui, en pratique, ne dépasse pas 80°. Il se compose d'une série de lames de cuivre placées tout autour de la pile et qui augmentent la surface de refroidissement. Ces lames sont représentées en B (fig. 17j. La pile à coke de M. Clamond est donc un véritable calorifère électrique, et comme tel pourraitétre établiedans tous les cas où un calorifère trouve son emploi. Le modèle de 6000 couples brûle de 9 à 10 kilogrammes de coke par heure. En disposant deux circuits de 3000 éléments chacun, on peut alimenter deux lampes Serrin qui fournissent une lumière de 30 à 50 becs chacune.

Bien que jusqu'ici le rendement des piles thermo-électriques, c'est-à-dire le rapport de la chaleur dépensée à la chaleur transformée en électricité, soit très faible, ces appareils sont inléres-

Fig. 18. — Armature d*un élément de la pile Clamood.

sants, car ils transforment directement la chaleur en électricité, tandis que les machines électro-dynamiques, que nous allons examiner maintenant, passent par des intermédiaires complexes-

Signalons une application de la pile thermo-électrique à la mesure des forces électro-motrices faite par Gaugain à l'administration des lignes télégraphiques. Gaugain employait des couples bismuth-cuivre disposés en fer-à-cheval les uns à côté des autres sur une traverse de bois qui permet de les soulever ou de les plonger d'un seul coup dans des bains, dont Tun est de l'eau distillée à 0* et l'autre de la paraffine chauffée à 100*. La pile ainsi constituée a une force électro-motrice constante^ elle forme donc une excellente pile-étalon. Sa force électro-motrice est de ^ de volt; en disposant 182 éléments en tension, et en maintenant les soudures exactement aux températures de 0* et 100*, on aura une pile dont la force électro-motrice sera de un volt d'une manière exacte.

Les applications des piles thermo-électriques sont restées malheureusement jusqu'ici, malgré d'encourageantes expériences, dans le domaine de la science pure, sauf les quelques applications faites par la Banque de France et la maison Goupil à des dépôts électro-chimiques. Contre notre espérance, l'Exposition d'électricité n'a montré aucun progrès de ce côté; aussi n'y a-t-il eu aucune modification à apporter, à ce point de vue, à ce que nous disions dans notre première édition.