Pila electrica

Pilas salinas e alcalinas, mai correntas.

Una pila electrica, o pila, es un dispositiu electroquimic que convertís l'energia quimica en energia electrica mercé a una reaccion quimica d'oxidoreduccion.

Vocabulari: pila, batariá, acumulator

A l'origina, lo tèrme « pila » designa un dispositiu inventat pel sabent italian Alessandro Volta, compausat d'un empilament de rondèlas de dos metals diferents, separats per de feutres banhat d'un electrolit. Per extension, lo mot « pila » designa una batariá monoblòc. Pasmens, lo tèrme « batariá » designa un ensemble d'elements montats en seria per obténer una tension volguda, dins un emballatge unic. Dins aqueste sens es abusiu lo tèrme « pila » per designar d'autres generators electroquimics: pila de combustible, acumulator electric.

Principi de foncionament

Simbòl electronic d'una pila que se referís a l'estructura de la pila voltaïca.

Esquèma d'una pila. Cada aisina constituís una mijacellula. Un electròde (simbolizat per una brica) es perlongada dins cada mièjacellula. Las doas mièjacellulas son ligadas per un pont salin que servís al manten de l'equilibri de las cargas electricas. Aqueste pont permet lo passatge d'ions, mas pas aqueste del solvent. Quand los electròdes son constituits de materials presentant una diferéncia de potencial sufisenta, un corrent electric s'establís del catòde e de l'anòde, es a dire de l'electròde positiu a l'electròde negatiu.

La bòstia d'una pila abriga una reaccion quimica entre doas substéncias que l’una pòt donar aisidament d'electrons (materials reductor), e l’autre que los pen (material oxidant). Caduna d'aquesta reaccions quimicas est dicha « mièjaaccion ». Quant son netament combinadas, forman una reaccion d'oxidoreduccion. Cada mièjareaccion se passa dins una solucion ont se realiza un escambi d'electrons. Son aquestes electrons que son escambiats entre las doas substéncias. Per assegurar l'equilibri dels escambis electrics, cal ligar las doas solucions mejans un pont salin, sistèma que permet lo transpòrt d'unes ions tot interdisent la circulacion del solvent.

Cada element del coble oxidant/reductor es ligat a un electròde. Aquestes electròdes, quand son ligadas a un consomator electric, venent de la circulacion d'un corrent electric; la reaccion quimica provòca una circulacion de cargas (electrons, ions). Una pila dona donc de corrent continú. La bòrna (-) d'una pila correspond a l'anòde ont se realiza la reaccion d'oxydacion que donarà los electrons. La bòrna (+) d'una pila correspond al catòde ont se realiza la reaccion de reduccion que recebrerà los electrons.

Aqueste sistèma es utilizat per las pilas electricas e las batarias d'acumulators, amb diferents cobles electroquimics. Una pila electrica pòt conténer mai d'un d'aquestes cobles montats en seriá, çò que permet d'aumentar la tension disponibla a las bòrnas de la pila.

Es possible de realizar una pila artesanala, per exemple en fissant dins un citron un estaca desplegada o un clavèl (en acièr galvanizat, cobèrt donc de zinc) e un fil electric desnudat (de coire) ligats una pichona lampa o un diòde electroluminescent plan causit.

Istòria

Exitís d'objèctes arqueologics, coma aquestes trobats en 1936, pareissent a de pilas. Es lo cas de la pila electrica de Bagdad qu'es datada entre 250 AbC e 250 mas poirián èsser plan mai anciana e explicarián lo placatge tan perfièch de fòrça jòias anticas tan leugièras. Aurián foncionat amb de chucs de fruchs veire de sulfat de coire, d'experimentacions sus de reconstitucions modèrnas validèron la fasabilitat de dos modèls. Existís pas cap de ligam istoric entre aquestes objèctes e lo desvelopament de las pilas contemporanèas tan que l'usatge d'aquestas serián lo placatge de metals precioses çò qu'explicarián son usatge minor, confidencial, veire associat a un usatge de falssari (veire Arquimèdes e la corona del rei Ieron).

En 1786, Luigi Galvani obsèrva que los muscles d'una cuèissa de granhòta se contractan quand son plaçadas en contacte amb de metals, del mèsme biais que quand se connècta la branca sus una maquina electrostatica. Descobrís que la reaccion es mai fòrta quand utiliza un instrument compausat de dos metals diferents.

En oposicion amb la recercas de Galvani (electricitat d'origina animala), Alessandro Volta inventa la premièra pila en colomna lo 17 de març de 1800; aquestes primièrs sistèmas èran constituits d'un « empilament » de disques de dos metals diferents separats per de disques de feutre, banhats d'acid, d'ont lo nom de l'invencion. La pression de la colomna suls disques del bas provòca un assecament dels cilindres de feutre que s'acaba lo procés. Volta inventa lèu la pila en corona, constituida d'empilaments mai pichon montas en seria.

Unes meses après l'invencion de Volta, dos quimistas britanics, William Nicholson (1753-1815) e Anthony Carlisle (1768-1840) utilizan la pila de Volta per realizar la primièra electrolisi artificiana (electrolisi de l'aiga) lo 2 de mai de 1800.

En 1802, William Cruickshank crea la pila de nauc pausant verticalament las lamas de zinc e de coire dins un nauc de parets isolantas emplit d'aiga acidulada. Es fòrça mai simpla de realizar que la pila de Volta.

• Diferents tipes de pila Volta
• 
  La pila voltaïca, inventada per Alessandro Volta
• 
  Autra pila de colomna de Vòlta, començament del sègle XIX
• 
  Esquèma de foncionament de la pila Vòlta
• 
  Esquèma de la pila Vòlta

Pilas polarizablas

Entre 1813 e 1815, William Hyde Wollaston desvelopa la pila Wollaston ont l'electròde de coire enròda l'electròde de zinc. Aquò permet de doblar la superfícia de l'electròde e de perlongar lo foncionament de la pila. Aquestas primièras pilas an una deca de foncionament: la polarizacion dielectrica.

La reaccion d'oxydoreduccion provòca una accumulacion de sosproduchs que perturba lo foncionament de la pila. Dins aquestas pilas zinc-coire es la reduccion de l'acid de l'electrolit que larga de bofigas de diidrogèn sul coire qu'empacha lo passatge del corrent. Amb lo temps, se cal netejar la pila d'aquestes depauses per que contunha de foncionar.

Pilas impolarizablas

Esquèma del principi de la pila Daniell.

Dins las pilas impolarisablas, los produchs de la reaccion d'oxidoreduccion utilizada altran pas las proprietats electroquimicas de l'ensemble.

En 1829, Antoine Becquerel crea la primièra pila de dos liquids separats embarrant la placa de zinc en solucion acid dins un gròs budèl de buòu, que la separa de l'electròde de coire plaçat dins un banh de sulfat de coire. La generacion d'idrogèn es remplaçada per una accumulacion de coire suls parets del catòde.

Lo principi es melhorat en 1836 per John Frederic Daniell que remplaça lo bubèl per un vas de tèrra porosa. La pila Daniell es la primièra a èsser una font duradissa d'energia. Lo principi de la pila Daniell serà meliorat coma amb las pilas Callaud.

Johann Christian Poggendorff inventa en 1842 la pila de bicromat: larga d'oxigèn que se torna combinar amb l’idrogèn responsable de la polarizacion. Creada en 1850, la pila Grenet es una pila d'un sol liquid, amb d'electròdes en carbon e en zinc amalgamat (perlongat dins lo mercuri) dins un electrolit d'acid sulfuric e de bicromat de potassi. Quand la pila èra pas utilizada, se cal levar l'electròde en zinc de la solucion per la gardar. De melhoracions (pila Trouvé, pila Chardin, pila Voisin e Dronier…) seguèron per isolar aquesta electròde.

Aquestas pilas botelhas seràn utilizadas fins al començament del sègle XX: la poténcia e la tension nauta de las pilas de bicromat foguèron longtemps apreciadas al laboratòris. Foguèron paud utilizadas coma pila domestica a causa de la toxicitat dels bicromats e dels problèmas d'entreten de l'électròde.

Pilas de depolarizacion

Pilas botons.

Pila Bunsen.

Las pilasa de depolarizacion utilizan un reductor per levar los produchs de reaccion que se forman sul catòde.

La primièra pila de depolarizacion es inventada en 1838 per William Robert Grove. Remplaça lo coire per de platin e utiliza d'acid nitric (nomenat acid azotic a l'epòca). Obten una pila poderosa mas cara que lo platin es un metal rar. En 1843, Robert Wilhelm Bunsen remplaça lo platin per de carbon çò que redusís plan los costs (veire Pile Bunsen) mas la depolarizacion nitrica provòca un largatge de vapors toxicas que fa l'empec d'aquestas pilas malcomòde.

En 1867, Georges Leclanché crea la primièra pila de depolarizant solid: conten de dioxid de manganès. La pila Leclanché es mens poderosa que la pila botelha mas demanda pas entreten (« ne s'usa que se'n servís » segon la publicitat de la pila Wonder). En 1888, Carl Gassner inventa la pila seca gelificant la solucion de clorur d'amòni amb d'agar-agar. Amb de melhoracions, aquesta pila seca es encara utilizada al sègle XXI.

Pendent la Segonda Guèrra mondiala, Samuel Ruben e Philip Mallory crean la pila de mercuri.

En 1959, la primièra pila alcalina grand public es concebuda per Lewis Urry, Karl Kordesch e P.A Marsal pr Union Carbide.

En 1970, las primièras pilas de liti, que permeton de remplaçar lo zinc per un metal mai reductor, son realizadas. Son comercializadas en 1977.

De pilas an estat utilizadas coma referéncia per definir una norma de tension abans d'èsser remplaçada per una mesura basada sus l'efièch Josephson: la pile Daniell, puèi la cellula de Clark inventada en 1872 per Josiah Latimer Clark foguèt utilizada fins a 1905, puèi remplaçada per la cellula de Weston fins a 1972.

Pilas de concentracion

Tanben existisson de pilas de concentracion que son de dispositius electroquimics coma las pilas (doas solucions e un pont salin) que prenon lor energia de la diferéncia de concentracion d'un solutat d'una solucion cap a l'autra. Las solucions e los anòdes son totas de mèsme tipe. Es un metòde simple per realizar l'electricitat. Aqueste modèl de pila s'utiliza subretot dins l'industria metallurgica per realiza la galvanizacion e de l'estudi de la corrosion.

Classificacion

Diferents ties de pilas

Per tecnologia

Existís quatre tecnologias de pilas grand public:

• pila alcalina: ( ⊝ Zn | Zn(OH)₄²⁻ | K⁺ + OH⁻ | MnO(OH) | MnO₂ | C ⊕ );
• pila salina: ( ⊝ Zn | Zn²⁺ | NH₄⁺ + Cl⁻ | MnO(OH) | MnO₂ | C ⊕ );
• pila de liti: ( ⊝ Li_(s) | LiCl_(SOCl2) | MnO_{2 (s)}, Mn₂O_{3 (s)} | Fe_(s) ⊕ );
• I a tanben de pilas d'oxid d'argent (de pilas botons per relòtge) o de pilas zinc-aire (utilizadas per exemple disn las protèsis auditivas) (⊝ Zn | ZnO || Ag₂O | Ag | C ⊕).

Dempuèi decembre de 1998, las pilas de mercur son interditas en Euròpa (directiva 98/101/CE) e als EUA a causa de la toxicitat e de l'impacte environamental del mercuri.

Par format

Los formats de pilas son sovent designadas per un còdi (AA, LR12, CR2032…) normalizat per la Comission electrotecnica internacionala (CEI) e per l'American National Standards Institute (ANSI). Pasmens se la norma CEI veguèt un estandard, nombre d'apellacions son aquestas dels fabricants de pilas demoran.

Per fòrça electromotritz

La fòrça electromotritz (f.e.m.) es la tension qu'existís a la bòrnas de la pila en circuit dubèrt. La f.e.m es variabla amb lo temps e es foncion de la capacitat restanta de la pila: diminuís amb la descarga de la pila.

La f.e.m nominala es la f.e.m de la pila e l'estat nòu, e es aquesta qu'es inscricha sus la quita pila o son emballatge

Las pilas salinas e alcalinas an una f.e.m. gaireben nominala de 1,5 V, alara qu'aquestas de las pilas de lithi es de 3,6 V gaireben.

Las pilas amb f.e.m. mai nautas son constituidas d'una associacion en seria de cellulas de 1,5 V (3 elements en seria, dins una pila 3LR12 de 4,5 V; 6 dins una pila 6LF22 de 9V).

Per capacitat

La capacitat d'una pila es la quantitat maximala de carga electrica que dona pendent sa descarga. Dins lo SI, s'exprimís en coulomb, mas s'utiliza mai sovent l'ampèr ora (1 A⋅h = 3 600 C) o lo miliampèr ora (1 mA⋅h = 3,6 C).

Depend de la quantitat d'electrolit e d'electròde, mas tanben de las condicions de descarga (intensitat del corrent de descarga, tension de copadura de l'aparelh, temperatura d'utilizacion).

Se l'intensitat de descarga I es constanta, la capacitat Q es proporcionala a la duretat de descarga Δt : $Q=I\times \Delta t$

Se l'intensitat i varia, alara: $Q=\int _{0}^{\Delta t}i\,\mathrm {d} t$

La capacitat teorica d'una pila, definida pels fabricants, es de 20 oras (lo temps de descarga) multiplicat pel corrent que pòt donar la pila pendant aquesta durada. Es observada a 20 °C sus un equipament normalizat. Sa mencion es pas obligatòria alara es rarament mencionada.

Capacitat e descarga de las pilas

Un aparelh oer verificar la tension d'una pila.

La relacion entre lo corrent, la descarga e la capacitat per una bataria au plomb es aproximativament determinada per la lei de Peukert modelizant la capacitat d'una pila en foncion del corrent debitat.

$t={\frac {Q_{P}}{I^{k}}}$

ont:

• $Q_{P}$ es la capacitat de descarga a 1 ampèr (A);
• $I$ es lo corrent debitat per la bataria en ampèrs;
• $t$ es lo temps que la bataria poirà téner;
• $k$ es una constanta empirica de l'òrdre de 1,3;

Per las bassas poténcias, l'auto-descarga deu èsser integrada.

En practica, una bataria es mai eficaça s'es descargada amb una bassa intensitat. Per una pila qu'a una autodescarga relativament nauta, l'autodescarga pòt consomar la majoritat de la capacitat de la bataria. De precisar que totas las pilas se descargan amb lo temps, quitament se son pas utilizadas. Existís de tecnologias de pilas activablas que permeton de retardar l'aviada de la reaccion. Son per exemple utilizadas dins los elements de seguretat (coissin gonflable, balisa de destressa de nau, etc.) o dins unas aplicacions militaras. Es tanben lo cas de las pilas botons zinc-aire, cal levar la langueta que capa l'element abans de lo metre en servici.

En corrent continú, l'energia es lo multiple de l'intensitat e del temps per la tension. S'obten donc:

1 W∙h ↔ (1 A·h × 1 V) ↔ (1 A × 1 h × 1 V)

Cal pas confondre la capacitat d'una pila (exprimit en Ampèr.ora) e la poténcia que pòt donar (exprimit en Vòlt.Ampèr).

Assemblatge en seria

Fòrça pilas son utilizadas per grop de 2 a 6 elements en seria. La performància d'un assemblatge de pilas connectada en seria es aquesta de son element mai fèble.

Vejatz tanben

Ligams extèrnes

• La pile de Volta
• Galvani, Volta et la découverte de la pile électrique.