Les accumulateurs - Enseignons.be

2. LA PILE HYDROÉLECTRIQUEOn appelle pile hydroélectrique un générateurchimique comprenant un électrolyte et deuxélectrodes de nature différente. Analysons lefonctionnement d'une pile de Volta : on constateque lorsque la pile débite un courant dans uncircuit fermé il y a rapidement diminution ducourant et apparition d'une couche de bullesd'hydrogène à l'électrode positive de la pile. C'estle défaut de la pile de Volta et qu'on appelle lapolarisation. En réalité il y a, à l'intérieur de lapile, une électrolyse qui se produit. L'électrode parlaquelle le courant entre est anode et celle parlaquelle son le courant est cathode.Il a fallu attendre 1868 pour qu'uningénieur français LECLANCHE trouve unmoyen pour améliorer le défaut de la pilede Volta.C'est par l'emploi d'un dépolarisantsolide, le dioxyde de manganèse, queGeorge Leclanché a réalisé la premièrepile moderne.2.1 L'évolutionL'évolution des piles s'est caractérisée notamment par la recherche de nouveauxconstituants, ce sont les piles au mercure. On a amélioré les dépolarisant et immobiliséle liquide électrolyte dans une gelée pâteuse, ce sont les piles sèches. La pile àcombustible est, à ce jour, parfaitement maîtrisée et si son principe remonte au milieudu 19 ème siècle son utilisation actuelle est permanente.Le développement explosif de l'électronique et de ses applications à l'informatique, auxtélécommunications, à la régulation, etc. est dû, en grande partie, à la miniaturisation deplus en plus poussée des composants électroniques qui demandent de moins en moinsd'énergie électrique pour remplir des fonctions de plus en plus nombreuses etcomplexes.Cela a entraîné l'apparition, d'une part , de piles et d'accumulateurs extrêmement petitset, d'autre part, de toute une série d'appareils électriques autonomes utilisant cessources de courant de volume réduit.Théorie chapitre 8 – p 2

2.2 Propriété d'une pileUn générateur a la propriété d'entretenir entre sesbornes une différence de potentiel (ou une tension).On appelle force-électromotrice (f.e.m) d'ungénérateur la tension qu'on mesure entre ses bornesà circuit ouvert, c.à.d. lorsqu'il ne débite aucuncourant. On la représente généralement par lesymbole [e] ou [E] et elle s'exprime en volts.Le symbole d'un élément de pile est celui illustré par la figure ci-dessus. Le circuitintérieur d'un générateur est conducteur et, de ce fait a une certaine résistance qu'onappelle sa résistance interne et qu'on désigne généralement par le symbole [r]. La f.e.m.est donc une tension dont on ne pourra jamais bénéficier ! En effet dès que la piledébitera un courant ce dernier traversera non seulement la charge R mais aussi larésistance interne r provoquant ainsi une chute de tension à l'intérieur du générateur .Cette chute de tension peut être représentée par :u = r * ILa figure ci-contre illustre le circuit d'une pile encharge. La tension qui va apparaître aux bornesde la charge R, soit U sera plus petite que laf.e.m. [e] ! Pourquoi ?2.3 Loi d'ohm du générateurParce que la chute de tension, à l'intérieur du générateur, se déduit de la valeur de laforce électromotrice et qu'il reste alors :U = E – r * IU = tension en chargeE = force électromotriceI = intensitér = résistance interne du générateur==> E = U + r * I==> E = R * I + r * I==> E = I * (R + r)==>Théorie chapitre 8 – p 3

2.4 Caractéristiques de décharge2.5 UsagesLes piles sont utilisées pour fournir des courants peu intenses.– Horloges électriques– Appareils auditifs– Allume-gaz– Poste de radio– Rasoirs électrique– Lampe de poche– Jouet électrique– Calculatrices– …Théorie chapitre 8 – p 4

3. LES ACCUMULATEURS3.1 GénéralitéUn accumulateur est un appareil qui emmagasine de l’énergie électrique sous formed’énergie chimique et qui la restitue ensuite.Son fonctionnement comprend deux phases :- la charge pendant laquelle il fonctionne en récepteur- la décharge pendant laquelle il fonctionne en générateur3.2 Accumulateur au plomb- Plonger 2 électrodes en plomb dans une solution diluée d’acidesulfurique. Aucune déviation du voltmètre. La cuve n’est pas ungénérateur- Alimenter la cuve par un générateur à traversun rhéostat. Un courant circule dans lecircuit, on remarque un dégagement de bullesaux électrodes.La tension aux bornes de la cuve s’élève et le voltmètre indique de 2 V à 2,4 V. Lecourant qui circule dans la cuve décompose l’électrolyte. L’hydrogène se dégage àl’électrode négative et l’oxygène à l’électrode positive.- Ouvrir le circuit. Les plaques sont d’aspectdifférent. La plaque positive est brune, la plaquenégative grise. La tension au voltmètre indique unetension de 2 V qui baisse rapidement.La cuve a emmagasiné de l’énergie électrique, elle est devenue un accumulateur .Les électrodes sont chimiquement différentes :- positive : plomb oxydé- négative : plomb purThéorie chapitre 8 – p 5

3.3 DescriptionUn accumulateur comprend les éléments suivants :- le bac en matière inattaquable par les acides : verre, ébonite, matière plastique- électrolyte constitué par un mélange d’eau distillée et d’acide sulfurique très pur.Sa densité doit être de 24° Baumé.- électrodes constituées de plaques comportant des alvéoles dans lesquelles onmet :- de l’oxyde de plomb (Pb 3 O 4 ) pour les plaques positives- du plomb spongieux (PbO) pour les plaques négatives- des séparateurs perforés en verre, ébonite, … évitent tout contact entre lesplaques.Une plaque positive est toujours entourée par 2 plaques négatives pour éviter ladéformation des plaques positives.3.4 Charge et décharge d’un élément- Relier la borne positive du générateur à la bornepositive de l’accumulateur et la borne négative dugénérateur à la borne négative de l’accumulateur enintercalant un rhéostat et un ampèremètre dans lecircuit.- Régler l’intensité du courant au 1/10 de la capacité del’accumulateur exprimée en ampères-heures pendantune durée de fonctionnement de 10 h à 12 h.Théorie chapitre 8 – p 6

Indices de fin de charge- La tension atteint 2,7 V à 2,8 V par élément (circuit fermé). Au repos un élémentchargé retombe à 2,2 V environ.- L’électrolyte bouillonne : dégagement abondant de bulles (enlever les bouchons).- Les plaques positives deviennent brun prononcé. Les plaques négatives deviennentgris marqué.- La densité de l’électrolyte voisine les 28 ° Baumé.Indice de décharge- La tension atteint 1,7 à 1,8 V (à vide remonte à 2,1 V)- Les plaques positives passent du brun prononcé au brun pâle. Les plaquesnégatives passent du gris marqué au gris pâle.- La densité de l’électrolyte diminue de 28 ° à 20 ° Baumé.3.5 Caractéristiques d’un accumulateurL’accumulateur est caractérisé par :- une f.e.m. de 2 V par élément- une résistance interne très faible d’environ 0,01 Ω par élément, ce qui permetd’obtenir une intensité très grande.- une capacité variable avec les dimensions mais qui peut être très grande (jusqu’à60 ou 90 Ah pour une batterie d’auto).Théorie chapitre 8 – p 7

3.6 Entretien des accumulateurs- Électrolyte : les plaques doivent être recouvertes par au moins 1 cm d’électrolyte.Le niveau doit être complété uniquement avec de l’eau distillée.- Décharge : un accumulateur ne doit jamais être laissé déchargé. On doit lerecharger aussitôt. Il est déchargé quand :- la f.e.m. touche à 1,8 V- la densité de l’électrolyte tombe à 20 ° Baumé.On la mesure avec un densimètre ou pèse-acide.3.7 UsagesDémarrage et éclairage des automobilesÉclairage des trains ou de secours dans les hôpitaux, théâtres, grands magasins.Tracteurs dans les gares et les usines, sous-marins, locomotives des mines.Téléphonie (Belgacom, par exemple)Horloge électriqueThéorie chapitre 8 – p 8

3.8 Accumulateurs alcalinsLes accumulateurs au plomb sont lourds, fragiles et demandent une attention constante.Pour éviter ces inconvénients, on utilise de plus en plus des accumulateurs alcalins ouaccumulateurs au cadmium-nickel- Accumulateur au cadmium-nickel (Cd-Ni)- Accumulateur au ferro-nickel (Fe-Ni)Ces deux types d'accumulateurs :– ont durée de vie plus longue– sont plus légers et plus robustes que l’accumulateur au plomb– une tension plus faible, de l’ordre de 1,2 V moins constante– plus coûteux à l’achatL'accumulateur au Cd-Ni est utilisé pour l’éclairage de secours.L'accumulateur au Fe-Ni est utilisé pur les tracteurs électriques dans les usineset les gares.- Accumulateur argent-zinc (Ag–Zn)– tension voisine de 1,35 V– faible encombrement mais de prix élevé.Théorie chapitre 8 – p 9

4. FORCE CONTRE-ÉLECTROMOTRICELors de la charge d’un accumulateur, l’élément est un récepteur. La tension qui subsisteaux bornes de l’élément est en opposition avec la tension de la source. Elle tend à fairecirculer un courant de sens contraire à celui du générateur.En fait, il ne circule qu’un seul courant dans le circuit. Sonsens est imposé par les polarités du générateur.Pour cette raison, cette tension aux bornes del’accumulateur se nomme force contre-électromotrice =f.c.e.m. = symbole E ’C’est la différence U – E ’ qui pousse le courant dans le circuit.Une fois chargé, l’accumulateur est un générateur de courant et la tension qui existe àses bornes est une f.e.m. = E.4.1 Chargeur de batteriesAppareil destiné à transformer le courant alternatif du réseau en courant continu pouralimenter la batterie d’accumulateurs.Il comprend :- un transformateur qui adapte la tension à la tension à appliquer à la batterie,- un redresseur qui transforme le courant alternatif à la sortie du transformateuren courant continu pour les besoins de la batterie.On lui associe des fusibles de protection ainsi que généralement un appareil de mesurequi permet de contrôler l’intensité du courant de charge.Théorie chapitre 8 – p 10

5. COUPLAGE DES GÉNÉRATEURS5.1 Couplage en série- Montage : des générateurs sont en série lorsque le pôle positif de l’un est relié au pôlenégatif de l’autre. Ils sont traversés par le même courant.- Force électromotrice : la f.e.m. du couplage est égale à la somme des f.e.m. de chacundes éléments.- Résistance : la résistance du couplage est égale à la somme des résistances de chacundes éléments.Remarque : si le couplage est formé de n éléments identiques de f.e.m. et de résistanceinterne, les formules précédentes deviennent :- Intensité : l’intensité débitée est égale à :Théorie chapitre 8 – p 11

5.2 Applications1. On associe en série 6 éléments de pile dont la f.e.m. est 1,2 V et la résistanceintérieure 0,3 Ω. Ce groupement débite dans un résistor 0,6 Ω. Quelle estl'intensité du courant ?Donnée(s) Inconnue(s) Formule(s) Solutionn = 6E = 1,2 Vr = 0,3 ΩR = 0,6 ΩI = ? AE t = n * Er t = n * rI = E t / (R + r t )E t = 6 * 1,2 = 7,2 Vr t = 6 * 0,3 = 1,8 ΩI = 7,2 / (0,6 + 1,8) = 3 A2. On fait débiter dans un résistor de 0,2 Ω un groupement formé de 4 piles ensérie ayant chacune une f.e.m. de 1,5 V et une résistance interne de 0,5 Ω. Quelleest l'intensité du courant ?Donnée(s) Inconnue(s) Formule(s) Solutionn = 4E = 1,5 Vr = 0,5 ΩR = 0,2 ΩI = ? AE t = n * Er t = n * rI = E t / (R + r t )E t = 4 * 1,5 = 6 Vr t = 4 * 0,5 = 2 ΩI = 6 / (0,2 + 2) = 2,73 AThéorie chapitre 8 – p 12

5.3 Couplage en parallèle- Montage : des générateurs sont en parallèle lorsque les pôles positifs sont reliés entreeux ainsi que les pôles négatifs.Remarque : on ne peut monter en parallèle que des générateurs ayant même f.e.m. etmême résistance interne sinon des courants intérieurs de grande intensitépeuvent circuler entre les éléments et provoquer leur destruction.- Force électromotrice : la f.e.m. du couplage est égale à la f.e.m. d’un élément.- Résistance : la résistance du couplage est égale à la résistance d’un élément divisée parle nombre d’éléments.- Intensité : l’intensité débitée est égale à :Théorie chapitre 8 – p 13

5.4 Applications1. On associe en parallèle 6 éléments de pile dont la f.e.m. est de 1,2 V et larésistance intérieure 0,3 Ω. Ce groupement débite dans un résistor 0,6 Ω. Quelleest l'intensité du courant ?Donnée(s) Inconnue(s) Formule(s) Solutionn = 6E = 1,2 Vr = 0,3 ΩR = 0,6 ΩI = ? AE t = Er t = r / nI = E t / (R + r t )E t = 1,2 Vr t = 0,3 / 6 = 0,05 ΩI = 1,2 / (0,6 + 0,05) = 1,85 A2. On fait débiter dans un résistor de 0,2 Ω un groupement formé de 4 piles enparallèle ayant chacune une f.e.m. de 1,5 V et une résistance interne de 0,5 Ω.Quelle est l'intensité du courant ?Donnée(s) Inconnue(s) Formule(s) Solutionn = 4E = 1,5 Vr = 0,5 ΩR = 0,2 ΩI = ? AE t = Er t = r / nI = E t / (R + r t )E t = 1,5 Vr t = 0,5 / 4 = 0,125 ΩI = 1,5 / (0,2 + 0,125) = 4,62 AThéorie chapitre 8 – p 14

5.5 Couplage mixte- Montage : le groupement mixte consiste à grouper les « n » générateurs en « q »séries comprenant chacun « p » générateurs, les séries étant reliées enparallèle.pq- Force électromotrice : la f.e.m. de l'association est égale à la f.e.m. d'une série, c'està-dire:- Résistance : la résistance interne du groupement est égale à la qme partie de larésistance d'une série, c'est-à-dire :- Intensité : l’intensité débitée est égale à :ouThéorie chapitre 8 – p 15

5.6 ApplicationOn dispose de quatre éléments de pile (E = 1,8 V; r = 0,2 Ω) pour lancer un courant dansune résistance de 1 Ω. Les éléments sont montés en deux séries de deux et reliés enparallèle. Calculez l'intensité du courant dans le circuit.Donnée(s) Inconnue(s) Formule(s) Solutionn = 4E = 1,8 Vr = 0,2 ΩR = 1 Ωp = 2q = 2I = ? AI = n *E t / (q *R + p *r) I = 4 * 1,8 / (2*1 +2*0,2) = 3 A5.7 ConclusionsCas d’une pileCouplage en sérieCe couplage est indiqué lorsque R > rCouplage en parallèleCe couplage est indiqué lorsque R < rLe couplage en parallèle des accumulateurs ne se fait pas car leur résistance interneétant faible, la moindre différence des tensions provoquerait même à vide un courant decirculation intense entre les éléments.Couplage mixteThéorie chapitre 8 – p 16

6. GÉNÉRALISATION DE LA LOI D'OHM6.1 Courant dans un récepteur calorifiqueU tension en chargeTension en charge U du générateur : on ne doit pas tenir compte de sa résistanceinterne6.2 Le circuit comporte un générateur et un récepteur calorifiqueE tension à videTension à vide E du générateur. On doit tenir compte de sa résistance interne r.6.3 Le circuit comporte un générateur, un récepteur calorifique et un électrolyseurU tension en chargeThéorie chapitre 8 – p 17

6.4 Le circuit comporte un générateur, un récepteur calorifique et un électrolyseurE tension à vide6.5 L’électrolyseur est directement connecté à la sourceU tension en charge6.6 GénéralisationLa relation suivante peut s'étendre à un circuit comprenant un nombre quelconque degénérateurs et de récepteurs en série :RemarqueTout comme l’électrolyseur, le moteur est un récepteur qui présente en fonctionnementune f.c.e.m. E ’Appareils réversiblesCertains appareils, dits réversibles, peuvent fonctionner soit comme générateurs, soitcomme récepteurs. Exemples :– une batterie d'accumulateurs est normalement un générateur, mais elles secomporte comme un récepteur pendant la recharge,– une dynamo (générateur) peut également fonctionner en moteur (récepteur).On les différencie en comparant la force électromotrice E et la différence de potentielU :U < E : générateurU > E : récepteurThéorie chapitre 8 – p 18

6.7 Applications1. Que vaut la résistance R 2 à brancher enparallèle aux bornes de R 1 pour quel'intensité du courant total dans le circuitsoit de 1 A ?2. Quel est le courant qui circule dans le circuit électrique constitué d'unerésistance de 10 Ω et d'une cuve à électrolyse de f.c.e.m. de 2 V et de résistanceintérieure négligeable, sachant que le générateur a une d.d.p. de 10 V ?3. Que vaut :✔ l'intensité du courant,✔ la tension qui apparaît aux bornes de R 1 ,✔ la tension qui apparaît aux bornes de R 2 ,✔ la tension en charge aux bornes du générateur ?4. Quelle résistance faut-il incorporer dans le circuit de charge de l'accumulateurpour que l'intensité du courant de charge soit de 5 A ?5. On dispose de 5 éléments de pile de Leclanché de f.e.m. 1,5 V et de résistanceinterne r = 0,5 Ω. Déterminer l'intensité du courant qui circule dans unerésistance extérieur de 0,5 Ω lorsqu'on dispose :✔ d'un seul élément,✔ des 5 éléments dans le circuit.6. On dispose de 10 éléments de pile Bunsen(électrode + : C, électrode - : Zn, électrolyte : eau acidulée, dépolarisant : acidenitrique, inconvénient : dégagement de vapeurs nitreuses), de f.e.m. 1,86 V et de0,25 Ω de résistance intérieure. Quelle est l'intensité du courant qui circule si onbranche les piles en série sur une résistance de 3,7 Ω ?Théorie chapitre 8 – p 19

7. Que vaut la tension qui existe aux bornes d'un récepteur de résistance 2,5 Ωalimenté par 2 piles de f.e.m. 1,5 V et de résistance interne 0,25 Ω ?8. Que vaut :✔ la f.e.m. existant aux bornes du générateur qui fournit un courant de 1,5 Adans le circuit ci-contre ?✔ la f.e.m. D'un élément ?Théorie chapitre 8 – p 20