Pile voltaïque
La pile à colonne de Volta, ou pile voltaïque, ou encore pile de Volta, fut la première pile électrique. Elle a été inventée par Alessandro Volta, né à Côme en 1745 qui publia un article à ce sujet en 1800[1].
La pile est faite d'un empilement comme son nom l'indique de disques de zinc (pôle négatif) et de cuivre ou d'argent (pôle positif) séparés par une couche de tissu imprégné d'eau de préférence salée que l'on nomme l'électrolyte. La répétition de ces éléments zinc+électrolyte+cuivre est proportionnelle à la tension produite aux bornes de la pile, mesurée en volt (V).
Description
La pile de Volta est formée par une pile de petits disques de cuivre et de zinc alternés. Chaque disque de cuivre est séparé du disque de zinc sous-jacent par une surface de tissu ou de feutre imbibé de saumure, solution aqueuse de NaCl. Le disque de cuivre suivant est en contact direct avec le disque de zinc qui le surplombe. De cette façon, on a un empilement : cuivre, saumure, zinc, cuivre, saumure, zinc, cuivre, saumure, zinc, etc. Il se produit au niveau de chaque couche, terme qu'on utilisera désormais pour la superposition d'un disque de cuivre et d'un disque de zinc séparés par un tissu retenant la solution, une réaction d'oxydo-réduction. Il ne se passe rien au niveau du disque de cuivre. Les éléments participant à l'oxydation et à la réduction sont les éléments zinc et eau.
Principe de fonctionnement
Au niveau atomique, l'oxydation d'un atome de zinc, selon la réaction Zn → Zn2+ + 2e− produit deux électrons qui vont transiter dans le circuit électrique, pour atteindre le disque de cuivre. Les électrons vont alors rencontrer deux molécules d'eau de la solution salée, que l'on nomme l'électrolyte et une autre réaction de réduction va se produire, selon la réaction 2H2O + 2e− → 2HO− + H2. On constate ainsi que le disque de zinc est petit à petit consommé et qu'il y a production de dihydrogène.
L'empilage des plaques circulaires de zinc constitue le pôle négatif et celui de cuivre le pôle positif[2].
La mise en série des couches permet d'obtenir une tension électrique plus élevée, proportionnelle au nombre de couches et donc de libérer une énergie électrique plus importante[3].
Défauts
La pile de Volta présentait un défaut d'étanchéité en raison de la saumure qui imprégnait les rondelles de tissu. Celle-ci coulait de la pile[3]. Les disques de feutre s'asséchaient rapidement et ne remplissaient plus alors leur fonction initiale, celle de contenir de l'électrolyte (appelé humeur à l'époque par Volta). La pression du poids de la colonne, sur les disques de feutre du bas, avait tendance à assécher plus rapidement ces disques inférieurs (ce qui limitait aussi la hauteur des piles).
Par ailleurs, la pile nécessitait un espace important, rendant son utilisation difficile[4].
Enfin elle présentait le défaut d'être polarisable. La polarisation est un phénomène dû à une accumulation d'ions, à un dégagement d'hydrogène et à la formation d'une pellicule résistante sur les électrodes d'une pile. La pellicule augmente la résistance interne de la pile et diminue progressivement le courant débité[4].
Successeurs
La pile à auge, développée en 1802, était une variante de la pile Volta. Ce n'est plus une pile, résultant d'un empilement, mais le nom est resté. Il s'agit d'une boîte rectangulaire où les cellules sont disposées horizontalement. Cette pile ne perdait plus d'électrolyte.
En , la pile Daniell révolutionna de nouveau le monde de l'électricité : elle fut à l'origine de nos piles modernes.
Dans les piles actuelles, le métal utilisé est plus performant, et la saumure a été remplacée par un gel plus consistant[3].
Mesure
Un empilement d'une vingtaine de couches génère au voltmètre une tension voisine de 20 volts, et à l'ampèremètre un courant d'une vingtaine de mA[5].
Renommée
Le succès de la pile de Volta, premier générateur électrique continu, fut immédiat et international.
Fruit de dix années d'incessantes recherches, Volta communique d'abord avec la Royal Society de Londres en 1800 pour rendre publique son invention. La société britannique lui remet sa plus haute distinction, la médaille Copley, équivalente du prix Nobel aujourd'hui[6].
En 1801, Volta a l'occasion de présenter sa découverte à Paris à Napoléon Bonaparte, dans l'enceinte de l'Académie des Sciences[7]. Napoléon ne tarit pas d'éloges. Il lui octroie une rente annuelle et l'élève au rang de sénateur de Lombardie, alors occupée par la France.
Une reproduction à l'identique de la pile de Volta peut être admirée au Musée Ampère.
Une pile d'époque.
Schéma de fonctionnement de la pile Volta.
Schéma de la pile Volta.
Notes et références
- L'article de 1800 sur la pile de Volta présenté et commenté, La pile de Volta sur le site BibNum
- Jacques Bevilacqua, L'électricité - Facile à comprendre, Leipzig, Amazon Distribution, , 90 p. (ISBN 978-1511683098), p. 7.
- « La pile de Volta », sur comment-progresse-la-science.e-monsite.com (consulté le ).
- « Les difficultés et avantages », sur lestockageelectrique.e-monsite.com (consulté le ).
- « La pile de Volta a encore frappé », sur @. Ampère et l'histoire de l'électricité, CNRS, (consulté le ).
- « Le courant électrique et la pile d’Alessandro Volta » (consulté le ).
- « Idées de génies - La pile de Volta (Alessandro Volta) » (consulté le )