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- Herausgeber: Ligaran
- Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
- Sprache: Französisch
Extrait : "Il a été d'un certain nombre de piles hydroélectriques affectées au service spécial de la télégraphie et de la téléphonie. Ces piles sont caractérisées par un débit faible et constant. Mais il a fallu, pour d'autres applications importantes de l'électricité, établir des générateurs d'énergie électrique pouvant fournir des courants intenses et constants."
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Seitenzahl: 357
Veröffentlichungsjahr: 2015
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EAN : 9782335054668
©Ligaran 2015
Il a été parlé déjà d’un certain nombre de piles hydroélectriques affectées au service spécial de la télégraphie et de la téléphonie. Ces piles sont caractérisées par un débit faible et constant. Mais il a fallu, pour d’autres applications importantes de l’électricité, établir des générateurs d’énergie électrique pouvant fournir des courants intenses et constants.
Le nombre de piles à grand débit créées dans ces dernières années est très considérable. Nous allons examiner celles d’entre elles que la pratique a adoptées plus ou moins complètement et en montrer les avantages et les défauts.
Le débit d’une pile est d’autant plus grand que sa force électromotrice est plus grande et que sa résistance propre est moins considérable. D’une manière générale, une bonne pile doit posséder une très grande force électromotrice et avoir une résistance très faible ; de plus, ces deux facteurs doivent se maintenir constants jusqu’à épuisement complet de l’un des produits chimiques actifs dont la pile est composée.
Avant tout, il faut se rappeler que le plus grand obstacle au fonctionnement continu et constant d’une pile est le phénomène de la polarisation, qui consiste dans la formation de bulles d’hydrogène allant s’accumuler à l’un des pôles de la pile, et ayant pour effet d’arrêter ou d’amoindrir la production du courant.
Aussi, le perfectionnement le plus important de la pile a-t-il consisté dans l’emploi des moyens qui peuvent produire la dépolarisation. Ces moyens sont nombreux.
On peut donner à l’électrode positive une surface assez considérable pour que l’hydrogène n’en recouvre jamais qu’une faible portion. Mais il vaut mieux empêcher l’hydrogène de se fixer sur cette électrode. On y arrive par l’agitation, ou bien en employant des disques animés d’un mouvement de rotation et plongeant en partie dans le liquide ; ou bien encore en renouvelant constamment le liquide par un dispositif à écoulement continu.
Enfin, le moyen le plus généralement employé consiste dans l’absorption de l’hydrogène par des corps capables de le transformer en eau par l’oxydation. Ce dernier procédé est reconnu le meilleur par la pratique.
Il est encore une condition d’ordre économique que doivent remplir les piles et qui n’est pas négligeable. Pendant que la pile est à circuit ouvert, c’est-à-dire lorsqu’elle ne produit pas de travail extérieur, il faut empêcher aussi que l’électrode soluble ne soit peu à peu dissoute par le liquide et ne produise ainsi un travail intérieur inutile. Le zinc qui compose presque toujours la lame polaire négative peut être protégé contre l’attaque des liquides acides par l’amalgamation. On plonge le zinc à amalgamer dans un vase contenant du mercure et de l’eau acidulée, et l’on étale le mercure au moyen d’une brosse, avec laquelle on frotte la surface du zinc. Mais ce procédé ne produit qu’une amalgamation superficielle. Plusieurs constructeurs de piles lui préfèrent l’amalgamation dans la masse, obtenue par l’incorporation du mercure au zinc en fusion.
Cette pile, une des plus anciennes, emploie deux liquides séparés mécaniquement, mais non électriquement, par un vase en porcelaine demi-cuite, terre assez poreuse pour permettre le contact des deux liquides, mais assez compacte pour empêcher leur mélange rapide.
En réalité, c’est à Grove (1859) que l’on doit cette disposition. Il employait, comme plus tard Bunsen, l’eau acidulée au dixième par de l’acide sulfurique, et l’acide azotique concentré. L’électrode soluble était un cylindre de zinc amalgamé et la lame positive était en platine. Pour donner à cette dernière plus de développement, Poggendorff la replia en forme d’S.
Bunsen a remplacé la lame de platine par une plaque de charbon de cornue, ou par du charbon artificiel moulé en forme de cylindre creux. Les autres parties de la pile ont la même forme que dans la pile Grove (fig. 1). La consommation de zinc étant assez grande dans cette pile destinée à de grands débits, on a avantage à se servir de lames de zinc épaisses ; mais la dépolarisation serait meilleure, si la surface du zinc était plus petite par rapport à celle de l’électrode positive.
Quoi qu’il en soit, l’acide nitrique concentré employé dans cette pile est un puissant oxydant et, par conséquent, un très bon dépolarisant. Mais il présente un certain nombre d’inconvénients qui font de plus en plus restreindre l’emploi de l’élément Bunsen, avantageusement remplacé par les piles au bichromate. En premier lieu, l’acide azotique concentré coûte assez cher, et son degré de concentration, de 36° B. qu’il est au début, est bientôt abaissé à 25° B.À partir de ce moment, il n’est plus utilisable dans la pile. Il est vrai que l’on peut encore s’en servir pour différents usages, décapage des métaux, etc., mais il résulte de chiffres fournis par M. Becquerel que pendant que la pile dépense la valeur de 1 franc en zinc, la consommation d’acide azotique est de 1 fr. 50.
De plus, l’acide azotique présente le grave inconvénient de dégager des vapeurs rutilantes répandant une odeur très désagréable et préjudiciables à la santé.
Ces défauts ont fait rejeter la pile Bunsen dans les applications domestiques ; mais, en dehors des usages domestiques, les piles tendent de plus en plus à être remplacées par les machines d’induction. On n’en trouve plus guère que dans quelques petites installations de galvanoplastie et dans les laboratoires.
La pile au bichromate de potasse a été imaginée par Poggendorff. Elle a été modifiée par les constructeurs, qui en ont fait varier les formes, les dimensions, la composition du liquide.
Cette pile est formée par deux lames, charbon et zinc, plongeant dans un liquide contenant de l’eau, de l’acide sulfurique et du bichromate de potasse. Ce dernier corps constitue le dépolarisant, l’acide sulfurique facilite la dissolution du bichromate.
La force électromotrice obtenue par la combinaison de ces éléments oscille entre 1,8 et 2 volts ; on voit qu’elle est assez élevée. Elle est d’ailleurs variable avec les proportions dans lesquelles les différents produits qui la composent ont été mélangés.
La formule, que Poggendorff donna en 1842 indique 100 grammes de bichromate de potasse dissous dans un litre d’eau bouillante avec 50 grammes d’acide sulfurique. Delaurier, se basant sur une réaction chimique, préconise un mélange de 200 grammes d’eau, 18 gr. 4 de bichromate de potasse et 42 gr. 8 d’acide sulfurique. Le résultat final de la réaction est une dissolution contenant du sulfate de zinc et de l’alun de chrome.
Enfin, on peut trouver dans le commerce un produit connu sous le nom de sel Dronier et qui n’est autre qu’un mélange composé d’une partie, en poids, de bichromate de potasse et de deux parties d’acide sulfurique. En dissolvant ce produit dans l’eau, on a directement le liquide excitateur.
Une des formes les plus pratiques qui aient été données à la pile au bichromate est celle réalisée depuis de longues années par M. G. Trouvé et désignée ordinairement par le nom de pile à treuil.
Deux lames de charbon de grandes dimensions servent de pôle positif ; entre elles est intercalée une lame de zinc mesurant, comme les charbons, 15 centimètres de côté. Le zinc est fortement amalgamé, il est muni d’une encoche (fig. 2) permettant de le retirer à volonté pour procéder à son remplacement. Tout le système est suspendu à un treuil et on peut le remonter lorsque la pile ne fonctionne pas.
Il faut ajouter que les charbons sont cuivrés à la partie supérieure, assurant ainsi un bon contact aux attaches et diminuant notablement la résistance.
Les six éléments, représentés dans leur ensemble par la fig. 3, fournissent une source d’électricité d’un débit considérable et d’une constance suffisante pendant 6 heures environ pour un débit moyen.
M. Trouvé a réussi à produire une dissolution sursaturée de bichromate en procédant de la façon suivante. Il prépare d’abord une solution saturée de bichromate de potasse dans l’eau, il verse ensuite en mince filet et très lentement jusqu’à 450 grammes d’acide sulfurique par litre. On arrive ainsi à dissoudre environ 250 grammes de bichromate. C’est à cette réserve considérable de dépolarisant qu’il faut attribuer la constance de l’élément Trouvé. La pratique a, du reste, démontré que l’on peut se contenter de 150 grammes de sel par litre. L’alun de chrome formé reste en dissolution dans ce liquide et ne se dépose pas en cristaux sur les lames de charbon.
La force électromotrice d’un pareil élément est au début de 2 volts, mais tombe rapidement au régime normal de 1,9 volt. La résistance intérieure ne dépasse pas 0,08 ohm. On a pu faire débiter à un élément en court-circuit 24 ampères pendant 20 minutes sans polarisation. La pile n’est épuisée qu’après avoir, fourni 180 000 coulombs ou 50 ampères-heures.
Malgré sa grande constance, la pile de M. Trouvé ne peut être utilisée que d’une manière intermittente, tant à cause de la polarisation, qui n’est jamais complètement évitée, que par suite de l’épuisement relativement rapide du liquide excitateur. Le renouvellement constant de ce liquide et le remplacement facile des zincs usés, telles sont donc les conditions que doit remplir une pile à fonctionnement ininterrompu.
Une solution pratique de cette question a été indiquée par M. Hospitalier. Elle consiste dans l’emploi d’une pile à écoulement continu.
Le liquide actif, contenu dans un grand récipient, coule goutte à goutte dans le vase poreux de la plus élevée des piles disposées en gradins (fig. 4). Un tube de trop plein le conduit dans la pile suivante, et ainsi de suite jusqu’à un vase récepteur, où l’on recueille le liquide qui sert de nouveau jusqu’à épuisement complet.
Le zinc, employé en longues baguettes, est maintenu verticalement dans un vase poreux percé de trous et dont le fond contient du mercure. Ce dernier entretient l’amalgamation du zinc, qui descend peu à peu, au fur et à mesure de son usure.
Ainsi disposées, ces piles fonctionnent jour et nuit pendant plusieurs mois. Les seules manipulations qu’elles exigent consistent dans le renouvellement relativement peu fréquent des éléments actifs. Ces soins sont, du reste, simplifiés par la préparation facile du liquide. Il suffit de jeter dans le récipient des cristaux de bichromate et de verser par-dessus l’eau acidulée. Lorsqu’on remplace les zincs usés, on peut en utiliser jusqu’aux dernières parcelles, en les jetant au fond du vase poreux. Le mercure les met en communication électrique avec la baguette de zinc.
Dans ces conditions, on réalise une pile pratique, recommandable pour les installations domestiques et qui se prête avec avantage à la charge des accumulateurs. C’est ainsi qu’elle est appliquée par M. Hospitalier à l’éclairage électrique domestique.
Pour augmenter encore les effets dépolarisants du bichromate de potasse, on a créé un modèle de pile dans lequel le zinc et le charbon plongent dans deux liquides différents séparés par une cloison poreuse. Cela revient à remplacer dans la pile Bunsen l’acide azotique du vase poreux par le liquide excitateur, dont nous avons donné plus haut quelques formules.
M. Radiguet a donné à cet élément une forme spéciale en créant la pile à déversement. Ce dispositif a pour but de pouvoir retirer à volonté, non seulement le zinc de la solution, mais encore de séparer les deux liquides l’un de l’autre.
À cet effet, le zinc est contenu dans un vase de construction assez originale. La figure 5 fait voir les deux compartiments de ce vase, dont l’un, celui de gauche, est en porcelaine émaillée, l’autre, en terre poreuse. Ce dernier contient le zinc et, dans la position de travail, l’eau acidulée. Lorsqu’on veut mettre l’élément en non-activité, on fait tourner le vase à déversement de 90 degrés de droite à gauche. L’eau acidulée coule dans le compartiment étanche et le zinc est soustrait à toute action chimique. Une rotation en sens inverse remet le tout en activité. On peut du reste régler le débit en faisant plonger le vase poreux plus ou moins dans l’intérieur de l’élément. Ce résultat est obtenu au moyen d’un levier et d’une crémaillère.
Il est à craindre que les avantages présentés par ce dispositif assez compliqué ne soient pas de nature à racheter son prix d’établissement.
Le commandant Renard, dont le nom est devenu si populaire depuis ses expériences d’aérostation, est l’inventeur d’une pile dont la qualité principale est son énergie spécifique considérable, c’est-à-dire quelle contient une quantité d’énergie très grande dans un poids relativement faible.
Le liquide actif est une solution chlorochromique renfermant de l’acide chlorhydrique et de l’acide chromique à équivalents égaux. Le zinc n’est pas amalgamé et le pôle positif est formé d’une lame d’argent recouverte d’une couche mince de platine sur ses deux faces.
Cette pile présente toutes les qualités de la pile au bichromate, avec cet avantage qu’elle est d’une régularité parfaite, qu’elle a un débit quintuple, et que, à poids égal, le liquide employé dégage une fois et demie plus d’énergie totale que le liquide au bichromate. Il n’y a à craindre, avec la pile Renard, aucun dépôt de cristaux, de sorte que son nettoyage est instantané, lors même qu’elle a été laissée longtemps en repos après épuisement du courant.
Pour permettre l’application de cette pile à la production directe de la lumière, elle a été agencée d’une façon spéciale. Ses éléments, au nombre de sept, dissimulés dans une enveloppe commune, constituent un ensemble compact. Toutes les communications des éléments entre eux sont établies en permanence sur une plaque de jonction en ébonite. Le liquide est versé dans le collecteur par un orifice supérieur ; et, quand la charge est complète, le niveau de ce liquide est tel qu’il ne baigne pas les zincs, qui restent inactifs.
Pour mettre la pile en activité, il suffit de boucher l’orifice supérieur et d’insuffler de l’air dans le collecteur au moyen d’une poire en caoutchouc faisant office de pompe. Le liquide monte simultanément dans tous les éléments et il ne reste qu’à fermer le circuit pour faire jaillir le courant.
On a réalisé ainsi une lampe portative qui constitue un appareil domestique facile à soigner et pas trop encombrant.
Voici quelques chiffres se rapportant à cette pile :
Quoique se rapprochant de la pile précédente par sa grande énergie spécifique, la pile de Lalande et Chaperon diffère entièrement des éléments que nous avons étudiés jusqu’ici.
Nous avons déjà eu l’occasion de la décrire à propos de son application dans la télégraphie. Mais elle peut aussi être disposée de façon à fournir un grand débit, et dans cet ordre d’idées elle a produit de bons résultats pratiques. Rappelons sommairement les réactions chimiques sur lesquelles est basé cet élément.
Le dépolarisant, dans cette pile, est solide ; l’oxygène est fourni par de l’oxyde de cuivre en contact avec le pôle positif. Le liquide est une dissolution à 50 ou 40 pour 100 de potasse caustique. Lorsque la pile travaille, le zinc est transformé en oxyde de zinc, produit soluble dans la potasse et formant avec cette dernière du zincate de potasse. L’hydrogène se porte au pôle positif, y rencontre la couche d’oxyde de cuivre qu’il réduit. Ainsi, d’un côté attaque du zinc, de l’autre formation de cuivre métallique, voilà le travail de la pile. De plus, il faut remarquer, comme avantage considérable, que lorsque le circuit extérieur n’est pas fermé, aucune réaction ne se passe dans la pile : elle ne consomme pas à circuit ouvert.
À côté des modèles dont il a déjà été parlé dans le premier volume de cet ouvrage, nous devons signaler un élément à grande surface et produisant un grand débit. Il se compose, ainsi qu’on peut le voir par la figure 6, d’un vase en fonte mince constituant le pôle positif. Ce vase peut être fermé hermétiquement par un couvercle en ébonite, supportant le zinc, formé par une longue lame enroulée en spirale.
La pilé de Lalande et Chaperon a été soumise à de sérieux essais, qui ont prouvé qu’elle constitue un générateur d’électricité pouvant se substituer avec avantage aux autres piles pour les diverses applications connues et que ses qualités de constance et de durée lui assurent de nouvelles et nombreuses applications dont les piles connues jusqu’ici n’étaient pas susceptibles.
D’après des expériences faites par M. d’Arsonval, la pile à potasse-oxyde de cuivre, comparée aux meilleurs accumulateurs, leur est supérieure comme énergie emmagasinée. La quantité d’électricité donnée par la pile est 5 fois plus grande que celle fournie par l’accumulateur de même poids.
Dans quelques branches spéciales de l’industrie, cette pile peut trouver des applications avantageuses. C’est ainsi qu’elle a été appliquée dans quelques ateliers au nickelage de pièces de diverses formes en laiton poli, en particulier de tubes de 60 centimètres de long environ ; 6 éléments à auge ont été montés dans ce but : le courant qu’ils ont fourni a été assez intense pour être utilisé dans une grande cuve à nickelure. Pendant très longtemps les piles, sans être touchées, ont pu largement suffire au travail. Ce travail est du reste fort intermittent, pouvant aller jusqu’à 10 heures par jour, ou s’arrêtant au contraire plusieurs jours de suite. La somme des heures pendant lesquelles les piles ont ainsi fonctionné est de 174.
Cette pile est basée sur les mêmes réactions chimiques que la pile Daniell ; mais elle est agencée de façon à fonctionner à peu près automatiquement.
Voici, d’après les constructeurs mêmes, la théorie de son fonctionnement.
La figure 7 représente en coupe un élément ; en p b se trouvent deux lames de plomb formant le pôle positif et plongeant dans une dissolution saturée de sulfate de cuivre. Au milieu de l’élément, se trouve une cloison poreuse ouverte à ses parties supérieure et inférieure, et contenant le zinc formant le pôle négatif, ainsi qu’une solution de sulfate de zinc.
La partie supérieure de cette gaine plonge dans l’eau pure, et la partie inférieure dans le sulfate de zinc, assez concentré, qui remplit le fond de l’élément.
Si l’on vient à fermer le circuit, il y a formation de sulfate de zinc dans la gaine poreuse sur toute sa hauteur par l’attaque du zinc, en même temps que réduction du sulfate de cuivre et dépôt de cuivre métallique à la surface des lames de plomb, dans le compartiment à sulfate de cuivre.
Le sulfate de zinc résultant de l’attaque du zinc augmente la densité du liquide de la gaine et le force à descendre dans le sens des flèches ; cette descente détermine un appel d’eau prise à la partie supérieure et un refoulement de sulfate de zinc à la partie inférieure de la gaine poreuse.
Tant que fonctionne l’élément il y a donc circulation automatique d’eau et de sulfate de zinc dissous ; si l’on coupe le circuit, tous les liquides s’arrêtent automatiquement d’eux-mêmes et toute usure cesse.
Nous ne décrirons pas toutes les dispositions prises pour entretenir un niveau, une épaisseur et une densité constantes des divers liquides. Une dizaine d’éléments sont disposés dans une cuve placée sur une étagère munie de tous les accessoires. Cette cuve occupe le haut de la figure 8, en bas est un tiroir rempli de cristaux de sulfate de cuivre que l’on charge dans la pile au moyen d’une pelle. Sur la planche intermédiaire sont représentés deux accumulateurs en charge. Cette pile est en effet destinée à charger des accumulateurs, pour produire par leur intermédiaire l’éclairage domestique par lampes à incandescence.
Supposons que, après avoir fait travailler une pile jusqu’à complet épuisement, nous la fassions traverser par un courant en sens inverse de celui qu’elle débitait, la théorie indique que nous devons provoquer des réactions chimiques inverses de celles qui ont eu lieu dans la pile pendant son fonctionnement, de sorte qu’au bout d’un certain temps nous aurons ramené la pile à son état primitif. C’est un effet que l’on peut constater avec plusieurs piles, entre autres celle de MM. de Lalande et Chaperon, qui se prête très bien à cette expérience. Ces piles sont donc réversibles.
Grove avait déjà réalisé une pile réversible, en produisant un courant par la combinaison de deux électrodes en platine plongeant l’une dans de l’hydrogène, l’autre dans de l’oxygène. Mais, outre que la résistance intérieure d’un pareil élément serait trop grande et par conséquent le débit trop faible, il faut considérer aussi que dans la pratique de grandes difficultés s’opposeraient à l’emploi de cette pile à gaz.
Ce n’est qu’en 1859 que l’on parvint à utiliser la réversibilité de certaines réactions chimiques. C’est au regretté G. Planté que la science électrique est redevable de la découverte des piles dites secondaires, ou accumulateurs. M. G. Planté, alors ingénieur dans la maison Christophe, remarqua que, si l’on employait dans l’électrolyse de l’eau deux électrodes en plomb, l’une d’elles se peroxydait, tandis que l’autre se recouvrait d’hydrogène ; et en les faisant communiquer entre elles on obtenait ensuite un courant d’une remarquable intensité. Dès lors, le savant et infatigable chercheur poursuivit la réalisation pratique d’une pile basée sur ce principe. Le résultat de ces recherches fut une pile, ayant une force électromotrice considérable et capable de fournir des courants très intenses, le courant de charge servant à la former pouvant être très faible, mais durant plus longtemps. En d’autres termes, on fournit à ce couple une certaine quantité d’énergie électrique par un courant faible et lent, et l’on recueille cette même énergie sous une tension plus forte et avec un débit plus intense et plus rapide. L’accumulateur n’est donc qu’un transformateur d’énergie électrique.
Les premiers accumulateurs Planté étaient constitués par deux longues lames de plomb enroulées en spirale et séparées électriquement par de la toile à voile. Ce système plongeait dans un vase renfermant de l’eau acidulée au dixième, en volume, par de l’acide sulfurique. Mais la toile à voile ne résistait pas longtemps à l’acide, elle fut remplacée par deux jarretières en caoutchouc qui empêchaient les lames de plomb de venir en contact pendant leur enroulement (fig. 9).
Pour charger cet accumulateur, on le fait traverser pendant un certain temps par le courant de quelques éléments de pile. La force électromotrice inverse de ce couple est d’environ deux volts, il faut donc plusieurs éléments de pile pour vaincre cette force contre-électromotrice. Les accumulateurs Planté fournissent d’ailleurs un courant incomparablement plus intense que celui des piles, intensité qui dépend naturellement du plus ou moins grand développement donné aux lames de plomb. Lorsqu’on a chargé pour la première fois un couple Planté nouvellement construit, on observe que les effets que l’on peut en obtenir sont assez faibles. Mais si l’on opère plusieurs charges et décharges successives, on constate une notable amélioration, et ces opérations doivent être répétées assez souvent pour amener l’accumulateur à fonctionner d’une façon normale. On dit qu’un accumulateur a besoin d’être formé pour pouvoir être utilisé dans de bonnes conditions.
Pour bien nous rendre compte du fonctionnement de ces appareils qui tiennent aujourd’hui une place si considérable dans l’industrie électrique, examinons les réactions qui ont lieu pendant leur charge et leur décharge. On a discuté beaucoup sur cette question sans arriver à une conclusion bien nette. À l’heure actuelle on ne connaît pas encore d’une façon bien déterminée ce qui se passe dans un accumulateur pendant les deux phases de son fonctionnement. Quoi qu’il en soit, on peut s’arrêter à la théorie résumée par M. Éric Gérard, professeur à l’Institut électrotechnique de Liège.
« Pendant la charge, l’eau est décomposée ; l’oxygène se porte sur l’anode et s’unit au plomb pour former du peroxyde de plomb, à teinte brune caractéristique ; la cathode se recouvre d’hydrogène qui se dégage. Après un certain temps, quand la surface de l’anode est complètement recouverte d’une couche d’oxyde, l’oxygène se dégage également. Il faut arrêter la charge à ce moment, car l’on ne gagne plus rien à laisser passer le courant.
Quand on opère la décharge, en réunissant directement les deux électrodes, le peroxyde de plomb passe par un état inférieur d’oxydation ; l’oxygène mis en liberté se rend de l’anode à la cathode, à laquelle il se combine ; l’acide sulfurique transforme les oxydes simples ainsi formés en sulfate de plomb insoluble, que l’on retrouve en dépôt sur les électrodes. Ces actions chimiques fournissent l’énergie que représente le courant de décharge.
Supposons que l’on fasse passer de nouveau le courant de charge dans l’accumulateur. Le sulfate de plomb déposé sur les électrodes sera décomposé, et l’acide sulfurique reconstitué. L’oxygène provenant de la décomposition de l’eau forme du peroxyde de plomb sur l’anode. Sur la cathode, l’hydrogène réduit le sulfate de plomb en plomb métallique.
Tout revient donc au même état qu’après la première charge, si ce n’est que la quantité de peroxyde de plomb formée sur l’anode est plus considérable et que la cathode se trouve recouverte d’une couche de plomb pulvérulent. Par suite de ces deux circonstances, le second courant de décharge aura une durée plus grande que le premier.
En renouvelant un grand nombre de fois les deux opérations consécutives, charge et décharge, on arrive à former des couches d’oxyde assez épaisses pour fournir des courants de décharge de longue durée. Cette série d’opérations s’appelle formation de la pile. »
Pour rendre la formation plus rapide, M. Planté a proposé de chauffer le liquide ; mais cette manipulation mal commode est avantageusement remplacée par un décapage profond des lames de plomb, obtenu en les plongeant pendant quarante-huit heures dans de l’acide azotique étendu de la moitié de son volume d’eau. On arrive ainsi à rendre le temps de formation beaucoup plus court.
De prime abord, il semblerait inutile de se servir des accumulateurs comme intermédiaires dans la production de l’énergie électrique. Mais il faut considérer que le véritable rôle des accumulateurs consiste dans la transformation de l’énergie électrique, et M. Planté l’a bien indiqué dès l’origine, en appliquant ses couples à convertir un courant de grande intensité et de faible tension en un autre, plus rapide, de haute tension mais de faible intensité.
À cet effet M. Planté réunissait ses accumulateurs en quantité. Il pouvait ainsi les charger avec le courant de deux ou trois éléments Bunsen, leur force électromotrice ne pouvant devenir supérieure à 2,5 volts environ. Lorsque la charge était complète, on couplait tous les éléments en tension et l’on pouvait alors obtenir des courants de décharge à très haut potentiel. La manipulation était, du reste, simplifiée par l’emploi d’un commutateur spécial, représenté figure 10. Dans la première position, tous les couples sont en quantité ; et quand on tourne l’axe B d’un demi-tour on effectue le couplage en tension. Cet appareil, connu sous le nom de machine rhéostatique, a permis à M. Planté d’exécuter ses belles expériences sur les décharges électriques.
Avant d’aborder la description et l’étude d’un certain nombre de systèmes d’accumulateurs, il est indispensable de connaître les généralités que nous allons développer.
Pour se former une opinion sur la valeur des différents systèmes, il faut tenir compte des principales données suivantes : capacité spécifique, débit spécifique et quelquefois énergie spécifique.
La capacité spécifique d’emmagasinement s’exprime par le nombre de coulombs ou d’ampères-heures que peut emmagasiner un kilogramme d’accumulateur. Le débit spécifique est le nombre d’ampères débité par kilogramme de plaques : c’est un nombre variable avec les applications. L’énergie spécifique indique le nombre de watts-heure ou de kilogrammètres que peut contenir un accumulateur par unité de poids.
Dans les installations fixes, il est utile de se placer dans les conditions de meilleur rendement. Le rendement d’un accumulateur est le rapport de l’énergie dépensée pour la charge à l’énergie, fournie par la décharge. Pour avoir un bon rendement, il convient de ne pas dépasser un débit de un ampère par kilogramme de plaques, car le rendement diminue lorsqu’on vide plus rapidement les appareils. Il est sacrifié dans quelques types à grand débit spécifique, où la préoccupation d’avoir une grande puissance spécifique prime toutes les autres considérations. Sous ce rapport on peut classer les accumulateurs en trois catégories :
Au point de vue de leur constitution, les accumulateurs à deux plaques de plomb forment une classe qu’il convient de diviser en deux catégories distinctes : accumulateurs formés 1° en surface, 2° en profondeur.
Le type de ces accumulateurs est le couple secondaire de M. G. Planté, dont nous venons de parler. La force électromotrice de ce couple est de 2,5 volts environ, pendant les premières minutes après le passage du courant de charge, ensuite elle décroît constamment, mais reste supérieure à 1,9 volt pendant la plus grande partie du temps que dure la décharge. L’expérience montre qu’il faut arrêter le travail, lorsque la force électromotrice est tombée à 1,6 volt environ.
Quant à la quantité d’énergie électrique que l’on peut emmagasiner, elle peut atteindre 8 000 kilogrammètres par kilogramme de plomb. La capacité spécifique d’un élément Planté bien formé est de 10 ampères-heures par kilogramme de plaques.
Dans les accumulateurs formés en surface ; on a tout avantage à rendre celle-ci maximum pour un poids de plomb donné ; en employant de grandes plaques, on augmente d’abord la capacité et on diminue dans le même rapport la résistance intérieure. M. Reynier a fait un travail destiné à montrer quelle surface on peut donner à un kilogramme de plomb selon la forme extérieure sous laquelle on l’emploie. En lame de 1 millimètre d’épaisseur, il présente une surface de 0 m. q. 18 ; en fil de 1 millimètre de diamètre sa surface est de 0 m. q. 35 en grenailles de 1 millimètre de diamètre on arrive à 0 m. q. 52.
Aussi différents constructeurs ont-ils cherché à améliorer les accumulateurs au plomb en employant ce dernier sous les formes qui permettent un grand développement superficiel. C’est ainsi que M. de Kabath forme ses plaques en empilant des bandelettes de plomb minces et percées de trous. Mais comme ces bandelettes sont très minces, l’oxydation a vite atteint le cœur de ces lamelles, qui alors tombent en morceaux. Il faut ajouter que la charge se répartit très mal sur ces plaques, l’extérieur étant attaqué plus énergiquement et l’intérieur restant mal formé. Des couples locaux s’établissent et occasionnent une consommation inutile, en circuit ouvert. La charge se conserve donc mal, ce qui est un sérieux désavantage.
M. Reynier a employé des plaques de plomb gaufrées dans ses accumulateurs. Le débit de ces couples, considérable au début, tombe rapidement ; leur capacité est de 5 à 4 ampères-heures par kilogramme.
Mentionnons encore les essais de MM. Elieson et Simmen. Les plaques de M. Elieson sont constituées par un grillage dont chaque ouverture contient une spirale formée par une longue bande de plomb mince, enroulée avec de l’amiante. M. Simmen a augmenté la surface utile en formant les plaques avec du plomb feutré (vermicelle de plomb) comprimé modérément dans un châssis.
Les accumulateurs dont nous nous sommes occupés jusqu’ici présentent cet inconvénient d’exiger un long temps de formation. M. Planté avait déjà indiqué la voie à suivre pour abréger considérablement ce temps, en déposant sur la lame positive de l’oxyde de plomb tout formé, du minium. La difficulté était de rendre cette couche de minium assez adhérente pour que le courant de charge ne pût la désagréger.
M. Faure reprit ces recherches en 1881. Il enveloppa la plaque positive avec sa garniture de minium dans un sac de papier-parchemin ou de feutre. Mais ces matières ne résistaient pas suffisamment à l’action corrosive de l’acide et la couche de minium s’écaillait, laissant le plomb à nu.
Aussi les accumulateurs Faure-Sellon-Volckmar, inventés en 1882, marquent-ils un grand progrès dans la construction des éléments secondaires, et les types encore actuellement en usage ne sont que des dérivés de ces premiers appareils. MM. Sellon et Volckmar réussirent à rendre le minium follement adhérent au support de plomb en le logeant dans un grand nombre de petits trous percés dans le plomb. Ces trous étaient munis d’une rainure intérieure, obtenue à l’aide d’un système spécial de perforation. Le minium, fortement comprimé dans ces ouvertures, était solidaire avec la plaque et ne pouvait tomber.
Le grillage de plomb ne se trouve donc plus avoir que le rôle de support ; aussi l’a-t-on rendu plus solide, moins attaquable, en le constituant par un alliage de plomb et d’antimoine, quelquefois avec adjonction de mercure. De plus, au lieu de percer des trous dans une plaque de plomb, on coule simplement un grillage, dont les ouvertures sont carrées et présentent une arête intérieure. Les trous sont remplis avec un mélange de litharge et de minium.
Ces accumulateurs, exploités par l’Electrical Power Storage C°, ont donné lieu à un grand nombre de modifications. La plupart des brevets portent sur un changement, de la forme de l’alvéole. Ainsi M. Gadot coule deux plaques à trous évasés, qu’il applique ensuite l’une contre l’autre, de façon à emprisonner les pastilles d’oxyde de plomb dans l’évasement intérieur ainsi formé. Les deux parties sont rivées avec du plomb. Dans quelques modèles les pastilles sont de très grandes dimensions. On peut demander à ces accumulateurs de 6 à 8 ampères-heures par kilogramme de plaques, mais leur capacité maxima atteint 10 à 11 ampères-heures par kilogramme.
Dans les plaques Menges les alvéoles ont la forme d’un V. L’originalité de cette disposition est dans le démoulage, qui se fait obliquement, à 45 degrés.
M. Kothinsky a fait des plaques munies de rainures présentant la forme indiquée par la figure. Il dispose les plaques horizontalement.
Le caractère général de tous ces systèmes consiste dans la tendance à augmenter la surface des pastilles au détriment de celle du plomb-support. Néanmoins ce n’est que dans les types destinés au transport que l’on réduit le poids du grillage de plomb. Pour les accumulateurs à poste fixe on a, en effet, tout avantage à faire des plaques épaisses pour éviter une détérioration rapide.
Quel que soit le système de plaques, le montage d’un accumulateur se fait ordinairement de la façon suivante. Les plaques garnies de leurs pastilles bien séché es sont toutes fixées à deux tiges qui réunissent l’une les électrodes positives et l’autre les électrodes négatives. Les points de jonction doivent être formés par une soudure autogène, pour éviter qu’il ne se forme des couples locaux. Dans quelques types les bornes elles-mêmes sont en plomb. L’épaisseur des tiges de communication doit être calculée d’après le débit maximum de l’accumulateur. Il convient de ne pas dépasser une densité de courant de 3 ampères par millimètre carré de section.
Les plaques sont séparées les unes des autres par des jarretières de caoutchouc de 5 à 6 millimètres d’épaisseur. On a employé des baguettes de verre pliées en épingles à cheveux, mais elles sont trop fragiles et trop sujettes à se déplacer. On a aussi proposé, pour maintenir les plaques, l’emploi de la fibre molle, matière isolante aujourd’hui très employée dans l’appareillage électrique.
Les vases devant contenir les plaques sont ordinairement en verre, bois verni, ébonite, grès, etc. Les vases en verre, lourds et trop fragiles, se recouvrent d’humidité, favorisent le grimpement des sels, et mettent l’accumulateur à la terre. On tend à les remplacer par des boîtes en ébonite ou des boîtes en bois de chêne garnies intérieurement d’un mastic inattaquable aux acides. On empêche le grimpement des sels en enduisant les bords d’une couche de cire, et on l’en garnit aussi les queues et tiges des plaques.
On dispose dans le fond des vases deux taquets destinés à supporter les plaques. L’inconvénient de cette disposition, c’est que les pastilles qui tombent s’amoncellent entre les plaques et forment des courts circuits. Il serait donc plus recommandable de suspendre les plaques à une certaine hauteur au-dessus du fond du vase ; mais le poids des plaques rend cette disposition peu pratique.
Pour faciliter les communications M. Poulain emploie des queues recourbées trempant dans des rigoles de mercure. MM. Philippart se servent d’une disposition présentant plusieurs avantages. Chacune des plaques positives d’un accumulateur est rendue solidaire avec une plaque négative de l’élément suivant par l’intermédiaire d’une lame de plomb arquée. Ces plaques jumelles présentent de grandes facilités pour l’emballage, le transport et le montage. À cause de leur indépendance on peut, en cas d’accident, les réparer ou les renouveler facilement. Mais cette disposition n’est pratique que lorsqu’on se sert d’une nombreuse série d’accumulateurs.
Le liquide des accumulateurs est ordinairement formé par 9 parties, en volume, d’eau distillée et 1 partie d’acide sulfurique pur à 66° B. Sa densité est de 1,17 à 1,18. Cette densité change pendant la charge ; on devrait donc employer un grand volume de liquide pour avoir une constance relative. Dans tous les cas il est nécessaire, lorsque le volume est petit, d’élever la densité du liquide pour qu’il ne puisse s’épuiser avant les plaques. Les variations de densité peuvent d’ailleurs être notées pour l’évaluation approximative de la charge.
À côté des accumulateurs à deux lames de plomb, on a cherché de différents côtés à utiliser la réversibilité d’autres couples. La plupart de ces essais ont fourni des résultats peu pratiques, à cause que la plupart de ces éléments ne gardent pas la charge. Sans parler des recherches faites par M. Reynier sur des combinaisons de plomb avec zinc ou plomb avec cuivre, nous devons pourtant mentionner ici les résultats obtenus par MM. Commelin et Desmazures.
La pile de Lalande et Chaperon est réversible, de plus elle possède une grande énergie spécifique ; c’est ce qui a déterminé MM. Commelin et Desmazures à en faire un accumulateur. À cet effet, ils constituent la plaque négative par une toile en fer clamé, l’électrode positive par une plaque de cuivre obtenue de la façon suivante : on réduit des battitures de cuivre par l’électrolyse et on comprime ce cuivre réduit sur une toile du même métal au moyen d’une pression de 500 à 1 000 kilogrammes par centimètre carré. On enferme cette plaque positive dans un sac en parchemin. Le tout est plongé dans le liquide que contient la pile Lalande et Chaperon, lorsqu’elle est complètement déchargée, c’est-à-dire une solution de zincate de potasse.
Avec cette pile secondaire on arrive à emmagasiner un cheval-heure dans 26 kilogrammes d’accumulateur. Mais il faut la faire travailler immédiatement après la charge, si l’on ne veut perdre une certaine quantité d’énergie.
M. Réper, de Liège, a fait un accumulateur en emprisonnant du chlorure de zinc dans un cylindre de fonte à parois épaisses et hermétiquement clos. L’électrolyse du chlorure de zinc produit du chlore gazeux qui établit dans le cylindre une pression suffisante pour sa liquéfaction. Le cylindre doit pouvoir résister à une pression de 5 à 6 kilogrammes par centimètre carré. La recombinaison du chlore au zinc produit une force électromotrice assez élevée.
Depuis que de nombreux perfectionnements ont fait des accumulateurs des appareils pratiques, ceux-ci ont pu être utilisés dans toutes les branches de l’industrie électrique. Leur puissance de transformation, si l’on peut s’exprimer ainsi, est en effet considérable. Convertir de faibles différences de potentiel en de hautes tensions, et inversement, est devenu chose facile par leur intermédiaire. Mais ce n’est pas là le point de vue sous lequel on peut le mieux juger de leur importance. Il arrive dans beaucoup de cas que l’on a besoin d’une grande puissance pendant un temps assez court, mais que l’on ne dispose que de la faible puissance d’une pile ou d’une petite machine électrique. Dans ces conditions l’emploi des accumulateurs est tout indiqué ; on chargera un poids convenable d’accumulateurs au moyen de cette petite puissance électrique pendant un temps très long, et l’on emmagasinera ainsi une grande quantité d’énergie, qui pourra ensuite être débitée en un courant très puissant mais de moindre durée.
Un autre avantage des accumulateurs est la constance du courant qu’ils fournissent, au moins entre certaines limites. L’éclairage électrique par accumulateurs est d’une fixité très grande ; la galvanoplastie, qui exige des courants très constants, se trouve très bien de leur emploi. Ils servent du reste, dans beaucoup de cas, de régulateurs, lorsqu’on les utilise concurremment avec les sources d’électricité primaires ; leur rôle peut alors être assimilé à celui du volant dans une machine motrice.
Il va sans dire que leur propriété d’emmagasinement a déterminé leur emploi dans le transport et l’éclairage des véhicules et dans une foule d’applications moins importantes dont nous aurons à nous occuper dans la suite.
Il est évident que l’on ne peut passer par l’intermédiaire des accumulateurs sans consentir à une certaine déperdition de l’énergie emmagasinée ; mais cette déperdition est très faible si l’on se place dans de bonnes conditions d’utilisation. En définitive, les dépenses les plus grosses, résultant de l’emploi de ces appareils, sont l’amortissement de leur prix d’achat et les pertes dues à l’usure ; leur entretien est assez facile. Il faut ajouter qu’ils occupent un emplacement assez grand, surtout en considérant que leur poids ne permet ordinairement pas de les superposer.
Les phénomènes fondamentaux de la thermo-électricité ont été découverts en 1821 par Seebeck. Ce savant observa que lorsqu’on chauffait la soudure de deux métaux dissemblables, on créait à cet endroit une force appelée force thermo-électromotrice. Un barreau de bismuth est soudé aux deux extrémités d’une lame de cuivre de façon à former un circuit fermé. Lorsqu’on chauffe l’une des soudures on constate que le circuit est parcouru par un courant électrique, allant du bismuth au cuivre en traversant la soudure chaude.
Ce courant obéit à certaines lois, établies en 1823 par A.-C. Becquerel. La force thermo-électromotrice dépend de la nature des deux métaux en contact ; elle est, entre certaines limites, proportionnelle à la différence de température entre la soudure chaude et le reste du circuit.
