Chapitre 3.9 – Les piles réelles

Chapitre 3.9 – Les piles réelles
Une pile idéale
Une pile idéale est une pile dont la résistance
interne est négligeable. Elle peut donc
transmettre dans son intégralité l’électromotance
ε au circuit. La différence de potentiel aux
bornes de la pile idéale est toujours égale à
l’électromotance :
Circuit fermé
Circuit ouvert
V
∆Vidéale = ε
ε
ε
V
∆Vidéale = ε
∆Vidéale = ε
∆Vidéale : Différence de potentiel aux borne de la pile en volt (V)
ε : Électromotance de la pile en volt (V)
où
Une pile réelle
Une pile réelle est une pile dont la résistance interne n’est pas négligeable. Elle ne peut pas
transmettre dans son intégralité l’électromotance ε au circuit. La différence de potentiel
∆V aux bornes de la pile réelle dépend du courant I. Plus la pile débite un courant élevée,
moins il y a de tension à allouer au circuit :
∆Vréelle = ε ± rI
∆Vréelle : Différence de potentiel aux borne de la pile en volt (V)
ε : Électromotance de la pile en volt (V)
r : Résistance interne de la pile en ohm ( Ω )
I
: Courant qui circule dans la pile en ampère (A)
où
Circuit ouvert
+
V
r
ε
-
Circuit fermé
+
Circuit fermé
+
r
V
ε
I
-
∆Vréelle = ε
r
V
ε
I
-
∆Vréelle = ε − rI
∆Vréelle = ε + rI
Preuve : (en construction)
La preuve se construit facilement à partir de la loi des mailles de Kirchhoff, de la loi d’Ohm
pour un résisteur ohmique ( ∆V = RI ) et de la règle des signes des différences de
potentielles associées aux différentes composantes (pile et résisteur) du circuit.
Référence : Marc Séguin, Physique XXI Volume B
Note de cours rédigée par : Simon Vézina
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I
Capacité
La capacité d’une pile représente la charge totale qui pourra circuler (être « pompée ») dans
la pile avant l’épuisement des réserves énergétiques de celle-ci. La capacité est mesurée en
coulomb (C) ou en ampère-heure (Ah).
Unité :
Coulomb (C) ou ampère-heure (Ah)
Conversion :
1 Ah = 3600 C
Exemple :
pile D de 3 A-h
•
•
Batterie d’automobile 100 A-h
20 minutes de démarrage (~300 A)
10 heures lumières de nuit non éteinte (~10 A)
L’épuisement d’une pile
Lorsqu’une pile s’épuise, elle perd sa capacité à faire
circuler le courant de deux manières :
1) Réduction de l’électromotance ε de la réaction
chimique.
2) Augmentation de la résistance interne de la pile.
Pile presque vide (gauche)
et pile pleine (droite)
Pile équivalente en série
Soit le circuit représenté sur le schéma ci-contre,
nous pouvons appliquer la loi des mailles de
Kirchhoff afin d’évaluer une électromotance
équivalente et une résistance interne équivalente au
circuit. Partons notre équation au point a :
ε 1 − r1 I + ε 2 − r2 I − R1 I − r3 I − ε 3 − R2 I = 0
⇒
ε 1 + ε 2 − ε 3 = (r1 + r2 + r3 + R1 + R2 )I
Référence : Marc Séguin, Physique XXI Volume B
Note de cours rédigée par : Simon Vézina
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Généralisation pour N piles en série :
N
• ε = ∑ ± εi
(± : sens dans lequel on effectue notre calcul sur la maille)
i =1
N
• r = ∑ ri
i =1
Augmentation piles en série :
1)
Une augmentation de l’énergie à donner par l’augmentation de l’électromotance ( ε ↑ ).
2)
Une augmentation de la résistance interne ( r ↑ ).
Pile équivalente en parallèle (piles identiques)
Soit le circuit représenté sur le schéma ci-contre,
nous pouvons appliquer la loi des nœuds de
Kirchhoff afin d’évaluer une électromotance
équivalente et une résistance interne équivalente au
circuit :
I = I1 + I 2 + I 3
⇒
I1 = I 2 = I 3 = I / 3
∆Vab = ε − r
Ainsi :
I
3
Généralisation pour N piles identiques en parallèle :
•
•
ε = εi
r
r= i
N
∀i = 1..N
∀i = 1..N
Augmentation piles identiques en parallèle :
1)
Aucun changement sur l’électromotance.
2)
Réduction de la résistance interne ( r ↓ ).
3)
Augmentation de la durée de vie de la pile ( U e ↑ ).
Exercice
Référence : Note Science Santé – Chapitre 4 – Question 24
Le voltage aux bornes d’un générateur de 120 volts tombe à 115 volts lorsqu’il fournit un
courant de 20 A.
a) Calculez la résistance interne r.
b) Quel serait le voltage aux bornes du générateur avec un courant de 40 A.
Référence : Marc Séguin, Physique XXI Volume B
Note de cours rédigée par : Simon Vézina
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Solution
Référence : Note Science Santé – Chapitre 4 – Question 24
∆V = 120 V sans résistance interne
∆V = 115 V avec résistance interne avec I = 20 A
∆Vrésis tan t = r I
⇒
r=
on a un ∆Vrésis tan t = 120 − 115 = 5 V
∆Vrésis tan t
5
=
I
20
⇒
r = 0,25 Ω
Avec I = 40 A :
∆Vrésis tan t = r I = (0,25)(40) = 10 V
On perd 10 V sur la pile
⇒
∆V pile = 120 − 10 = 110 V
Référence : Marc Séguin, Physique XXI Volume B
Note de cours rédigée par : Simon Vézina
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