1. La pile : transformer l'énergie chimique en énergie électrique
La pile d'une télécommande de flash ou l'accumulateur d'un boîtier photo ont un point commun : ils contiennent des réactifs chimiques qui, en réagissant, libèrent des électrons et produisent un courant électrique.
Pile : dispositif qui convertit de l'énergie chimique en énergie électrique grâce à une réaction d'oxydoréduction spontanée. Une pile usagée ne se recharge pas : ses réactifs sont consommés.
Accumulateur (batterie rechargeable) : pile rechargeable. En décharge, il convertit l'énergie chimique en énergie électrique ; en charge, il convertit l'énergie électrique reçue en énergie chimique stockable (la réaction se produit en sens inverse).
Exemple — la pile Daniell (zinc-cuivre) : on plonge une lame de zinc dans une solution contenant des ions Zn2+ et une lame de cuivre dans une solution contenant des ions Cu2+. Reliées par un circuit, on mesure une tension d'environ 1,1 V.
- Électrode de zinc (pôle −, anode) : le zinc s'oxyde (perd des électrons) : Zn → Zn2+ + 2 e−.
- Électrode de cuivre (pôle +, cathode) : les ions cuivre se réduisent (gagnent des électrons) : Cu2+ + 2 e− → Cu.
La lame de zinc s'use, du cuivre métallique se dépose sur la lame de cuivre. La pile s'arrête quand un réactif est épuisé.
Rappel vocabulaire : oxydation = perte d'électrons (à l'anode, pôle − en décharge) ; réduction = gain d'électrons (à la cathode, pôle +). Les électrons circulent dans les fils du pôle − vers le pôle +.
2. Charge et décharge d'un accumulateur
La batterie lithium-ion d'un boîtier photo est un accumulateur : on la recharge après chaque reportage. Lors de la charge, le chargeur impose un courant qui force la réaction d'oxydoréduction en sens inverse : l'énergie électrique est stockée sous forme chimique. Lors de la décharge (utilisation), la réaction spontanée restitue cette énergie sous forme électrique.
Étudier expérimentalement charge et décharge (protocole) :
- 1. Brancher l'accumulateur sur un chargeur (ou un générateur) en intercalant un ampèremètre ; placer un voltmètre aux bornes.
- 2. Relever la tension U et l'intensité I au cours du temps pendant la charge : U augmente progressivement jusqu'à sa valeur maximale.
- 3. Brancher ensuite l'accumulateur sur une lampe ou une résistance (décharge).
- 4. Relever U(t) : la tension diminue lentement puis chute brutalement en fin de décharge : il faut alors arrêter pour ne pas dégrader l'accumulateur.
- 5. Comparer les durées et les énergies mises en jeu dans les deux phases.
3. Capacité, intensité, durée d'utilisation
Sur la batterie d'un boîtier photo, on lit par exemple « 1 200 mAh ». C'est la capacité de l'accumulateur : la quantité d'électricité qu'il peut fournir avant d'être déchargé.
Capacité Q d'un accumulateur : quantité d'électricité disponible. Unités : ampère-heure (Ah) ou milliampère-heure (mAh). 1 Ah = 1 000 mAh. En unités SI : 1 Ah = 3 600 C (coulombs).
Q = I × t
- Q : capacité en ampère-heure (Ah)
- I : intensité du courant débité en ampère (A)
- t : durée d'utilisation avant décharge complète en heure (h)
Formules transformées : t = Q / I et I = Q / t.
Exemple résolu — Autonomie en reportage : un flash cobra est alimenté par un pack d'accumulateurs de capacité Q = 2,0 Ah. En utilisation soutenue (rafales), le courant moyen est I = 0,80 A. Quelle est l'autonomie ?
t = Q / I = 2,0 / 0,80 = 2,5 h, soit 2 h 30 min.
Conseil métier : pour un mariage, prévoir un second pack chargé.
4. Énergie stockée et énergie massique
E = U × Q
- E : énergie stockée en watt-heure (Wh)
- U : tension d'utilisation en volt (V)
- Q : capacité en ampère-heure (Ah)
En unités SI : E (en joule) = U (V) × Q (C), avec Q en coulomb = capacité en Ah × 3 600.
Énergie massique = E / m, exprimée en Wh·kg−1 : énergie stockée par kilogramme de batterie. C'est le critère décisif pour le matériel embarqué (boîtiers, drones, flashs autonomes).
Exemple résolu — Batterie lithium-ion de boîtier photo : Q = 1,2 Ah, U = 7,2 V, masse m = 45 g = 0,045 kg.
Énergie stockée : E = U × Q = 7,2 × 1,2 = 8,64 Wh ≈ 8,6 Wh.
En joules : E = 8,64 × 3 600 ≈ 3,1 × 104 J.
Énergie massique : 8,64 / 0,045 = 192 Wh·kg−1, valeur typique du lithium-ion (100 à 250 Wh·kg−1), bien supérieure aux anciennes technologies Ni-MH (60 à 100 Wh·kg−1) : c'est pourquoi tous les boîtiers modernes utilisent le lithium-ion.
Sécurité et environnement : ne jamais court-circuiter une batterie lithium (dégagement de chaleur, risque d'incendie), ne pas la percer ni l'exposer à la chaleur (sac photo laissé en plein soleil). Piles et accumulateurs usagés contiennent des métaux toxiques : ils se trient en collecte sélective (bac à piles du laboratoire), jamais à la poubelle ordinaire. Repérer les pictogrammes de danger sur les étiquettes.