Savais-tu que les voitures électriques ont des batteries qui contiennent autant d'énergie que 20 000 piles AA ?! Les piles sont de toutes formes et de toutes tailles, et la plupart d'entre nous utilisent des appareils électriques qui tirent leur énergie de piles, que nous voyions les piles (dans les lampes de poche) ou non (dans les téléphones). Nous savons tous que les piles fournissent de l'électricité, mais que sont exactement les piles, comment fournissent-elles de l'énergie et quelles sont leurs propriétés physiques ? Cet article répond à toutes ces questions !
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Inscris-toi gratuitementUne particule chargée gagne-t-elle moins ou plus d'énergie lorsqu'elle traverse une plus grande différence de potentiel ?
La tension d'une pile est-elle toujours égale à la somme des tensions des éléments qu'elle contient ?
Lorsqu'une particule chargée est déplacée à cause d'une pile, quels effets cela a-t-il sur la pile ?
Soit une pile avec une tension V et une particule avec une charge positive C. La distance entre les pôles de la pile est d. La particule se déplace de l'anode à la cathode. Qu'est-ce qui ferait que l'énergie chimique de la pile diminuerait encore plus ?
Une particule chargée gagne-t-elle moins ou plus d'énergie lorsqu'elle traverse une plus grande différence de potentiel ?
La tension d'une pile est-elle toujours égale à la somme des tensions des éléments qu'elle contient ?
Lorsqu'une particule chargée est déplacée à cause d'une pile, quels effets cela a-t-il sur la pile ?
Soit une pile avec une tension V et une particule avec une charge positive C. La distance entre les pôles de la pile est d. La particule se déplace de l'anode à la cathode. Qu'est-ce qui ferait que l'énergie chimique de la pile diminuerait encore plus ?
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Équipe enseignants Piles
Sauter à un chapitre clé
Pour comprendre ce que sont les piles, il faut d'abord comprendre ce qu'est une cellule électrique.
Une pile électrique est un objet qui contient de l'énergie chimique. Cela peut se faire de nombreuses façons, dont aucune n'est importante à comprendre pour saisir le comportement électrique des cellules. Il suffit de savoir qu'une certaine interaction chimique fait que la cellule présente une différence de potentiel électrique (différence de potentiel ou tension) entre deux points de la pile, que l'on appelle ses pôles. Le pôle positif est défini comme le pôle par lequel les charges positives sont repoussées, et le pôle négatif est le pôle qui n'est pas le pôle positif.
Une tension ou une différence de potentiel entre deux points est la quantité d'énergie qu'une charge unitaire gagne en voyageant entre ces deux points.
Si une particulea deux fois la charge d'une particule. Cela signifie qu'elle interagit avec les champs électromagnétiques deux fois plus que la particuleAinsi, la particuleest deux fois plus affectée par la différence de potentiel d'une cellule, elle subira donc une force deux fois plus grande. Ainsi, lorsqu'elle se déplace d'un pôle à l'autre, la particulesubira deux fois plus de travail que la particuleque la particule. Il en résulte que la particulegagne deux fois plus d'énergie que la particule.
Nous constatons que l'énergie gagnée divisée par la charge est la même pour les deux particules ! Cette quantité est la même pour toutes les particules, et ce n'est qu'une propriété de la cellule. Par conséquent, nous pouvons lui donner un nom (tension ou différence de potentiel) et l'assigner comme propriété de la cellule.
La définition d'une batterie est entièrement basée sur celle d'une cellule électrique. En général, une batterie est tout système d'une ou plusieurs cellules jointes dans une combinaison de joints parallèles et en série, mais au niveau de cet article, la définition suivante est adéquate.
Une batterie est un système de deux ou plusieurs cellules qui sont jointes en série.
Par conséquent, une batterie a un pôle positif et un pôle négatif, et la différence de potentiel d'une batterie est la somme des différences de potentiel des cellules individuelles à l'intérieur de la batterie, étant donné que les cellules sont jointes en étant orientées de la même façon (ce qui signifie que l'extrémité négative d'une cellule est connectée à la cellule positive d'une autre cellule).
Piles dont le pôle positif est indiqué par le signe +.
Les piles contiennent des cellules qui renferment de l'énergie chimique, ce qui provoque une tension entre ses pôles. Si nous plaçons une particule avec une charge positive près du pôle positif d'une pile, elle sera poussée vers le pôle négatif de la pile par la tension (voir la figure ci-dessous). Cela signifie que la batterie effectue un travail sur la particule (parce qu'elle exerce une force sur une certaine distance), et donc que la batterie perd de l'énergie dans ce processus. Cette énergie provenait de l'énergie chimique à l'intérieur de la pile : la pile a converti son énergie chimique en travail. Ainsi, après ce processus, la pile contient moins d'énergie chimique.
Une batterie exerce une force sur une charge positive, la poussant du pôle positif au pôle négatif dans le processus, StudySmarter Originals.
Le pourcentage affiché de la batterie de ton téléphone est une mesure de la quantité d'énergie chimique qui reste à l'intérieur de la batterie de ton téléphone. Si tu utilises beaucoup ton téléphone, il demandera plus de travail (parce que des particules chargées doivent être poussées pour faire fonctionner ton téléphone), donc plus d'énergie chimique de la batterie doit être convertie en travail. Par conséquent, ton téléphone mourra plus tôt.
La conception et la composition chimique d'une batterie déterminent la quantité d'énergie chimique qu'elle contient, et donc la quantité d'énergie électrique qu'elle peut fournir. Elles déterminent également l'importance de la différence de potentiel entre les pôles de la pile.
N'oublie pas que la tension détermine la quantité d'énergie qu'une unité de charge gagne lorsqu'elle traverse la différence de tension. Le travaileffectué sur une particule chargéequi traverse une tensionest donné par le produit de la charge et de la tension,
(car la tension est l'énergie gagnée divisée par la charge d'une particule). Une batterie avec une tension plus élevée exercera donc une force plus importante sur une charge qu'une batterie avec une tension plus faible n'exercera sur la même charge.
La capacité de la batterie est la charge totale qu'elle peut déplacer d'un pôle à l'autre. Elle est mesurée en unités SI en(coulomb), mais elle est généralement mesurée en(ampère-heure). L'énergie chimique totaleest la quantité totale de travail que la pile peut effectuer (en supposant un rendement de 100 % pour simplifier), donc la charge totaleque la batterie peut déplacer d'un pôle à l'autre est donnée par
.
En résumé, les piles ont des propriétés telles que la capacité de la pile, la tension et la capacité énergétique.
En physique et en génie électrique, il existe des symboles pour chaque élément d'un circuit électrique, et les piles et les batteries ne font pas exception. Tu trouveras dans la figure ci-dessous les symboles d'une cellule électrique et d'une pile.
Ci-dessus, le symbole d'une pile électrique, et ci-dessous, le symbole d'une batterie, Wikimedia Commons.
Nous voyons que le symbole d'une batterie est une représentation graphique de ce qu'est une batterie, à savoir un couple de cellules électriques reliées en série.
Les piles sont couramment utilisées dans les appareils électriques, dont les exemples sont les téléphones, les montres numériques, les ordinateurs portables et les voitures. Dans tous ces exemples, la fonction d'une batterie est de fournir de l'énergie électrique à un système. Le but de cette énergie diffère d'un cas à l'autre. Dans les téléphones, les montres et les ordinateurs portables, cette énergie sert principalement à faire fonctionner le système et à allumer un écran, tandis que dans les voitures, cette énergie est utilisée pour alimenter le démarreur, les phares et les clignotants, entre autres. Dans les véhicules électriques, l'énergie de la batterie sert principalement à alimenter les moteurs électriques pour faire avancer la voiture : c'est un exemple où l'énergie de la batterie est principalement convertie en énergie cinétique.
L'énergie chimique contenue dans une batterie peut provenir d'une grande variété de compositions chimiques, et le transfert de l'énergie chimique à l'énergie électrique peut se produire par le biais d'un grand nombre de réactions chimiques ou physiques différentes à l'intérieur de la batterie. Cela signifie qu'il existe de nombreux types de piles.
À titre d'exemple, citons trois des types de piles les plus courants.
Une batterie lithium-ion fonctionne sur la base du mouvement des ions lithium à travers la batterie, ce qui entraîne une perte d'énergie chimique et un gain d'énergie électrique. Ces batteries se trouvent souvent dans tes appareils électriques et dans les véhicules électriques.
Une ancienne batterie lithium-ion qui se trouve dans un ordinateur portable.
Une batterie nickel-cadmium fonctionne sur la base d'une réaction chimique entre l'hydroxyde d'oxyde de nickel et le cadmium métallique qui produit des substances chimiques et de l'énergie. Certains appareils électriques, comme les perceuses, utilisent ce type de batterie. Ces piles au nickel-cadmium sont rechargeables.
Une pile alcaline fonctionne sur la base d'une réaction chimique entre le zinc et le dioxyde de manganèse. Ces piles ne sont pas rechargeables. Certains appareils électriques, comme les radios et les lampes de poche, utilisent ce type de pile.
Une pile alcaline.
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Lily Hulatt is a Digital Content Specialist with over three years of experience in content strategy and curriculum design. She gained her PhD in English Literature from Durham University in 2022, taught in Durham University’s English Studies Department, and has contributed to a number of publications. Lily specialises in English Literature, English Language, History, and Philosophy.
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Gabriel Freitas is an AI Engineer with a solid experience in software development, machine learning algorithms, and generative AI, including large language models’ (LLMs) applications. Graduated in Electrical Engineering at the University of São Paulo, he is currently pursuing an MSc in Computer Engineering at the University of Campinas, specializing in machine learning topics. Gabriel has a strong background in software engineering and has worked on projects involving computer vision, embedded AI, and LLM applications.
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