La pile électrique

Une pile électrique, le petit objet que nous appelons assez souvent "pile", est un appareil ou dispositif qui nous génère de l'électricité et que nous le retrouvons dans beaucoup d’appareils de notre quotidien tels que :

• les téléphones portables,
• les télécommandes,
• les jouets,
• les lampes,
• les horloges, nos montres, ...
• et même dans nos robots que nous concevons.

La pile électrique dans l'histoire

Historiquement, depuis les travaux de l'inventeur Alessandro Volta, la pile électrique a évolué d'un simple empilement de disques métalliques vers des piles à combustible de haute technologie et des cellules sèches. Au début, l'un des problèmes majeurs rencontrés à résoudre dans les premières versions de la pile électrique était la baisse rapide de performance au cours du temps, même sans épuisement des métaux; le phénomène de la polarisation.

Lorsqu'un courant circule, des réactions chimiques secondaires se produisent, des petites bulles de gaz hydrogène se fixent sur l'électrode positive. Ce gaz forme ainsi une pellicule isolante qui augmente considérablement la résistance interne de la pile et fait affaiblir la force électromotrice générée. La pile électrique semble alors fatiguée. Une solution de dépolarisation (souvent en ajoutant un dioxyde de manganèse par exemple pour absorber ces bulles) était nécessaire à être mise en place pour libérer ainsi l'électrode. C'est ce qui permet aux piles modernes de fonctionner efficacement sur de longues durées.

La pile moderne

De nos jours, nous constatons qu'il existe plusieurs tailles et plusieurs formes de piles électriques (photo ci-dessous proposée par John Cameron sur Unsplash)

Et cela dépend de plusieurs critères comme :

• Adaptation à la forme de l'appareil.
• La puissance à fournir : certains appareils ont besoin de plus d’énergie que d'autres.
• La tension à fournir : selon l’appareil, la batterie doit fournir une tension adaptée (par exemple : 1.5V, 9V, 12V, ...)
• La taille et le poids : elle doit être pratique et facile à transporter selon notre besoin.
• La capacité : elle détermine l’autonomie de la pile électrique (appelée aussi la batterie) et elle est généralement exprimée en mAh ou en Ah.

Ce que nous notons est que toutes ont le même rôle : fournir de l’électricité de manière simple, continue et pratique.

Ainsi sans la pile électrique, certains objets de notre vie courante ne pourraient ni fonctionner ni s'allumer. Pour comprendre ce dispositif, que vous soyez un étudiant qui prépare son examen de physique ou un passionné de l'électronique et de la robotique, nous allons étudier ensemble les principes de l'électrocinétique, de la chimie des solutions et des groupements de générateurs, en s'appuyant sur les lois fondamentales de la physique.

La pile électrique est un convertisseur d'énergie ?

Dans un circuit électronique, la pile électrique joue un rôle crucial dans notre circuit; elle pompe les électrons dans une direction donnée en fournissant l'énergie nécessaire pour les mettre en mouvement. Pour comprendre cela, réalisons ensemble une petite expérience chez vous pour découvrir ce principe : "la pile à citron". Contrairement aux composants passifs comme une résistance ou un transistor, la pile électrique est un composant actif qui nous permet d'alimenter le reste de notre système électrique.

Expérience pratique : Comment faire une pile avec un citron ?

Une simple expérience que nous pouvons réaliser chez nous avec peu de composants peut nous démontrer le principe d'une pile électrique. Pour cela, nous aurons besoin de l'ensemble de ces éléments :

• 1 citron
• 1 pièce en cuivre (ou bande de cuivre)
• 1 clou galvanisé en zinc
• Quelques fils électriques
• Une petite LED basse consommation ou un multimètre (dans notre cas, nous avons opté pour une diode LED rouge)

Si vous ne disposez pas d'une diode LED chez vous, vous pouvez la remplacer par une petite lampe (qui fonctionne à faible tension, par exemple une petite lampe d'une torche à poche). Réalisez ensuite le montage ci-dessous :

Que constatons-nous ? La diode LED s'allume faiblement ce qui nous confirme la présence d'une différence de potentiel entre les deux bornes de notre pile à citron; la pièce en cuivre et le clou galvanisé en zinc.  Cette énergie que nous venons de créer provient d’une réaction chimique appelée l’oxydoréduction qui permet de mettre en mouvement les électrons dans notre circuit.

L'oxydoréduction : le secret chimique de la pile électrique

L’oxydoréduction, appelée aussi la réaction redox, est une réaction chimique qui présente un échange d’électrons entre deux matières ou environnements différents. Ce terme composé est la fusion de deux termes chimiques tels que :

• Oxydation = la matière perd des électrons
• Réduction = la matière gagne des électrons

Quand les deux se produisent toujours en même temps, cette réaction s'appelle l’oxydoréduction

Constitution d'une pile

Comme nous vous l'avons expliqué un peu plus haut et nous l'avons réalisé, une pile électrique est un dispositif qui transforme de l’énergie chimique en énergie électrique grâce à des réactions d’oxydoréduction. Pour comprendre comment la tension au sein d'une pile électrique est née, il est nécessaire ainsi de comprendre comment la chimie opère et comment l'interaction entre des métaux et un liquide conducteur, appelé l'électrolyte, se réalise.

Pour cela, regardons ensemble de quoi est composée une pile électrique jusqu'à présent ; deux électrodes et un électrolyte.

L'électrode

Une électrode est un conducteur électrique qui permet de faire circuler un courant entre un circuit externe et notre milieu interne; qui peut être une solution liquide, une matière différente, un gaz, etc. Dans notre cas, nous avons utilisé deux matières différentes ; un clou en zinc et une pièce en cuivre comme électrodes pour les faire réagir avec l'acide de la citron; qui représente l'électrolyte. L'image ci-dessous nous explique cela :

Pour que les ions circulent entre les deux électrodes, et pour obtenir une tension entre les électrodes, il est demandé d'utiliser deux lames de nature différentes. Pour vous démontrer ce principe, nous allons réaliser deux nouvelles expériences cette fois-ci telles que :

• Expérience 1 : deux lames de cuivre sont plongées dans une solution d'acide sulfurique (photo ci-dessous à gauche).
• Expérience 2 : une lame de cuivre et une lame de zinc sont plongées, cette fois-ci, dans une solution d'acide sulfurique (photo ci-dessous à droite).

La lampe ne s'allume pas	La lampe s'allume faiblement

Comme vous le constatez, lorsque l'on plonge deux lames de cuivre identiques dans un électrolyte, la différence de potentiel est nulle. Donc aucun courant ne circule entre les deux et la lampe ne s'allume pas. Lorsqu'on remplace une seule lame de cuivre par une lame en zinc, un métal différent, un faible courant apparaît et la lampe s'allume faiblement. Chimiquement, c'est la différence des deux métaux vis-à-vis de l'électrolyte qui crée la force motrice de la pile électrique. Le métal le plus "attaqué" par l'acide est donc le pôle négatif, appelé aussi anode, tandis que l'autre est le pôle positif, appelé aussi cathode.

L'électrolyte

C'est une solution ionique qui contient des ions positifs et des ions négatifs, et qui permet la circulation du courant électrique grâce au déplacement des ions. Pour réaliser une pile dans un laboratoire, par exemple, on utilise souvent de l'eau acidulée, appelée aussi acide sulfurique dilué; un intermédiaire conducteur qui permet la circulation des électrons entre les deux électrodes de la pile. Dans notre cas, le jus de citron est acide, ce qui laisse les ions circuler entre les deux électrodes.

Caractéristiques techniques : la Force Électromotrice et la résistance interne

La Force Électromotrice "FEM"

Pour caractériser une pile électrique, une première caractéristique que nous pouvons écrire est sa force électromotrice, appelée aussi f.e.m, ou FEM, et notée \(E \). Cette composante représente la tension maximale que peut fournir ce dispositif lorsqu'aucun courant ne circule. Autrement dit, la FEM correspond à la tension à vide de la pile électrique.

Définition et mesure

La force électromotrice, notée \(E \), représente la force fournie par le générateur pour déplacer une unité de charge électrique. Elle est mesurée en volt (V) et mesurée avec un voltmètre ayant une résistance interne très élevée pour bloquer le passage des électrons et s'assurer que le courant \( I \) est quasiment nul. Ce qui nous donne d'après la loi d'Ohm \(U = E \).

Cette FEM dépend uniquement de la nature de l’oxydoréduction et non pas de la taille et la géométrie de la batterie. Que les lames de métal font 1 cm² ou 1 m², ou qu'elles soient espacées de 1 cm ou 10 cm, la force électromotrice FEM ne change pas, ni à la baisse ni à la hausse et reste identique tant que nous ne changeons pas les matériaux des électrodes.

Le tableau ci-dessous nous présente quelques valeurs mesurées en laboratoires ainsi que la valeur de la force électromotrice mesurée pour différentes couples rédox en présence de la solution d'électrolyte adéquate :

Il est à connaitre que la force électromotrice \( E^° \) est calculée à partir de la différence des potentiels de chaque électrode. A titre d'information, la valeur de référence mesurée à 25° par rapport à une électrode standard de rérérence en à hydrogène est :

• Argent \({Ag^+}/{Ag} \) = 0,80V
• Cuivre \({Cu^{2+}}/{Cu} \) = 0,34V
• Zinc \({Zn^{2+}}/{Zn} \) = -0,76V
• Platine \({Pt^{2+}}/{Pt} \) = +1,18V (variable selon l'ionisation)

La résistance interne de la pile électrique

Une des caractéristiques d'une pile est sa résistance interne. En pratique, dès qu'une pile électrique est sollicitée par une charge; une résistance, un moteur, ou autre, la tension à ses bornes chute. Ce phénomène est modélisé par la résistance intérieure, exprimée en Ohm (Ω) et notée \( r \). Elle provient de deux facteurs tels que :

• La résistance propre des conducteurs métalliques et des contacts.
• La résistance de l'électrolyte au passage des ions, appelée la résistance ionique.

Il est à noter que plus les électrodes sont loin l’une de l’autre, ou plus leur surface est petite, plus il est difficile pour le courant de circuler dans la pile. Ainsi, plus la pile présente une résistance interne plus importante. Ainsi, la loi d'Ohm est généralisée pour tenir compte de la résistance interne des piles. Pour formuler cela physiquement, la tension réelle \( U \) disponible aux bornes de la pile électrique est donnée par la formule :

\[ U = E - (r × I) \]

tel que :

• U : la tension mesurée aux bornes de la pile, exprimée en volt (V),
• r : la résistance interne de la pile exprimée en Ohm (Ω),
• I : lintensité du courant fourni par la pile, en ampère (A).

Cette équation montre bien que la tension \( U \) est proportionnelle à l'intensité \( I \) demandée et que la chute de tension est due à une augmentation du courant fourni par la pile. Autrement dit, si vous demandez trop de courant \( I \) à une petite pile électrique, la tension \( U \)  peut s'effondrer, ce qui rend le fonctionnement du circuit électrique instable.

Groupements et associations de piles électriques

En électronique, il est fréquent qu'une seule pile électrique ne suffise pas. Pour cela, on procède à grouper plusieurs piles électriques pour pour atteindre ou modifier les caractéristiques de sortie de la nouvelle pile créée. Pour cela, nous pouvons réaliser deux groupement : le groupement en série et le groupement en parallèle.

Le groupement en série : Addition des tensions

Dans cette configuration, nous allons relier le pôle (+) de la première pile au pôle (-) de la pile suivante, et ainsi de suite. Ce groupement de plusieurs piles électriques en série est utilisé pour alimenter des appareils nécessitant une tension élevée qu'une seule pile ne peut pas la fournir, tel que 4,5V, 9V, 12V, etc. L'image ci-dessous nous présente ce montage :

Pour déterminer le couple force électromotrice, résitance interne \( (E, r \) de ce nouveau groupement, les deux équations ci-dessous nous expliquent cela :

• \( E_{totale} = E_1 + E_2 + ... + En \)
• \( r_{totale} = r_1 + r_2 + ... + r_n \)

Il est à noter que la résistance interne augmente également avec ce type de groupement, ce qui limite le courant maximal fourni sans que ce système chauffe.

Le groupement en parallèle : Augmentation de l'autonomie

Pour ce type de groupement, nous allons relier tous les pôles (+) ensemble et tous les pôles (-) ensemble. Pour ce montage, grouper plusieurs piles en parallèle, exige que toutes les piles aient exactement la même force électromotrice pour éviter que l'une ne se décharge dans l'autre (aurement dit, celle qui a moins de fem sera réceptrice et plus génératrice). L'image ci-dessous nous présente ce montage :

Pour calculer le nouveau couple FEM, résitance interne \( (E, r \) de ce groupement en parallèle, les deux formules ci-dessous nous expliquent cela :

• \( E_{totale} = E \) d'une seule pile.
• \( r_{totale} = \frac{r}{n} \) avec n est le nombre de piles

Ce montage est idéal pour fournir un courant plus fort ou pour augmenter la durée de vie globale du système.

Rendement et énergie de la pile électrique

Une pile électrique n'est pas un système parfait. Lorsqu'une réaction chimique est produite, une partie de son énergie chimique est transformée sous forme de chaleur à cause de la résistance interne; ce qu'on appelle l'effet Joule.

Pour vous simplifier cela, le schéma ci-dessous nous explique comment un générateur à pile consomme de l'énergie chimique, la transforme en énergie électrique utile et perd une partie de son énergie sous forme d'une énergie thermique :

La puissance électrique d'une pile

La puissance totale générée par une pile chimiquement est calculée telle que :

\[ P_{chim} = W_{ch} = E × I \]

Cependant, la puissance utile fournie au circuit électrique est déterminée par \( P_{utile} = W_{élec} = U × I \) et la différence de l'énergie perdue \( P_{perdue} = W_{th} = r × I^2 \) représente la perte d'énergie sous forme thermique.

Rendement électrique

Comme tout système électrique, une pile a un rendement \( η \) qui est défini par le rapport entre la tension aux bornes et sa force électromotrice \( E \) :

\[η = \frac{U}{E} \]

Pour maximiser ce rendement, il est donc demandé d'avoir une pile avec une résistance interne \( r \) la plus faible possible; soit la plus faible possible par rapport à la résistance de charge extérieure du circuit électrique alimenté.