1. Pile et accumulateur : deux convertisseurs d'énergie
Les étiquettes électroniques des rayons fonctionnent sur piles ; la perceuse qui monte les vitrines fonctionne sur batterie. Dans les deux cas, de l'énergie stockée sous forme chimique est convertie en énergie électrique.
Pile : dispositif qui transforme de l'énergie chimique en énergie électrique grâce à une réaction d'oxydoréduction spontanée. Non rechargeable : une fois les réactifs épuisés, elle est usagée.
Accumulateur : pile rechargeable. En décharge : énergie chimique → énergie électrique. En charge : énergie électrique → énergie chimique stockable (la réaction est forcée en sens inverse par le chargeur).
Exemple — la pile cuivre-zinc réalisée en TP : une lame de zinc dans une solution de sulfate de zinc, une lame de cuivre dans une solution de sulfate de cuivre, reliées par un pont salin. La tension mesurée aux bornes est d'environ 1,1 V.
- Électrode de zinc (pôle −, anode) : oxydation (perte d'électrons) : Zn → Zn2+ + 2 e− ; la lame de zinc s'use.
- Électrode de cuivre (pôle +, cathode) : réduction (gain d'électrons) : Cu2+ + 2 e− → Cu ; du cuivre se dépose.
Les électrons fournis par le zinc traversent le circuit extérieur jusqu'au cuivre : c'est ce courant qui alimente l'appareil.
Vocabulaire à maîtriser : oxydation = perte d'électrons (anode) ; réduction = gain d'électrons (cathode). Une pile s'arrête de fonctionner quand l'un des réactifs est entièrement consommé.
2. Charge et décharge d'un accumulateur
La batterie du bloc d'éclairage de sécurité est chargée en permanence par le secteur : en cas de coupure, elle se décharge dans les LED. Lors de la charge, la tension aux bornes de l'accumulateur augmente progressivement ; lors de la décharge, elle diminue lentement puis chute brutalement en fin de décharge : il ne faut jamais laisser un accumulateur se décharger totalement (dégradation irréversible).
Étudier expérimentalement une charge/décharge (protocole) :
- 1. Relever U(t) aux bornes de l'accumulateur pendant la charge (chargeur + ampèremètre en série, voltmètre en dérivation).
- 2. Brancher ensuite une lampe ou une résistance et relever U(t) en décharge jusqu'au seuil minimal indiqué par le fabricant.
- 3. Comparer les durées et estimer l'énergie fournie (E ≈ U × I × t).
- 4. Conclure sur la réversibilité de la transformation et sur l'usure de l'accumulateur au fil des cycles.
3. Capacité, autonomie, énergie stockée
Capacité Q : quantité d'électricité que l'accumulateur peut débiter avant d'être déchargé. Unités : ampère-heure (Ah) ou milliampère-heure (mAh) ; 1 Ah = 1 000 mAh = 3 600 C.
Q = I × t (Q en Ah, I en A, t en h) — d'où t = Q / I.
E = U × Q (E en Wh, U en V, Q en Ah) — en joules : E = U × Q × 3 600.
Énergie massique = E / m (Wh·kg−1) : critère de choix pour les outils portables.
Exemple résolu — Perceuse-visseuse d'agencement : batterie 18 V, capacité Q = 2,0 Ah, masse 0,65 kg.
Énergie stockée : E = U × Q = 18 × 2,0 = 36 Wh (≈ 1,3 × 105 J).
Énergie massique : 36 / 0,65 = 55 Wh·kg−1, cohérent avec une technologie Ni-MH ; les batteries lithium-ion atteignent 100 à 250 Wh·kg−1, d'où leur succès dans l'outillage sans fil.
Autonomie en vissage continu avec un courant moyen I = 4,0 A : t = Q / I = 2,0 / 4,0 = 0,5 h = 30 min — d'où l'intérêt d'une seconde batterie en charge pendant le montage d'une vitrine.
Exemple résolu — Bloc d'éclairage de sécurité : accumulateur 6 V, Q = 4,0 Ah. Énergie disponible : E = 6 × 4,0 = 24 Wh. Avec des LED consommant I = 0,5 A, l'autonomie réglementaire est t = Q / I = 4,0 / 0,5 = 8 h, très supérieure à l'heure exigée : le bloc est conforme.
Sécurité et environnement : ne jamais court-circuiter, percer ou exposer à la chaleur une batterie (risque d'incendie, surtout lithium). Le point de vente a l'obligation de reprendre piles et accumulateurs usagés : collecte sélective en bac dédié (métaux toxiques), jamais à la poubelle. Repérer les pictogrammes sur les emballages et respecter les consignes de charge.