Construction de la batterie

Le mot batterie signifie simplement un groupe de composants similaires. Dans le vocabulaire militaire, une « batterie » fait référence à un groupe d'armes à feu. En électricité, une « batterie » est un ensemble de cellules voltaïques conçues pour fournir une tension et/ou un courant supérieurs à ce qui est possible avec une seule cellule.

Le symbole d'une cellule est très simple, composé d'une longue ligne et d'une courte ligne, parallèles l'une à l'autre, avec des fils de connexion :

Le symbole d'une batterie n'est rien de plus que quelques symboles de cellules empilés en série :

Comme indiqué précédemment, la tension produite par un type particulier de cellule est strictement déterminée par la chimie de ce type de cellule. La taille de la cellule n'a aucun rapport avec sa tension. Pour obtenir une tension supérieure à la sortie d'une seule cellule, plusieurs cellules doivent être connectées en série. La tension totale d'une batterie est la somme de toutes les tensions des cellules. Une batterie au plomb automobile typique a six cellules, pour une tension de sortie nominale de 6 x 2,0 ou 12,0 volts :

Les cellules d'une batterie automobile sont contenues dans le même boîtier en caoutchouc dur, reliées entre elles par des barres de plomb épaisses au lieu de fils. Les électrodes et les solutions d'électrolyte pour chaque cellule sont contenues dans des sections séparées et cloisonnées du boîtier de la batterie. Dans les grandes batteries, les électrodes prennent généralement la forme de grilles ou de plaques métalliques minces et sont souvent appelées plaques au lieu d'électrodes.

Par souci de commodité, les symboles de batterie sont généralement limités à quatre lignes, alternant long/court, bien que la batterie réelle qu'il représente puisse avoir beaucoup plus de cellules que cela. À l'occasion, cependant, vous pourriez rencontrer un symbole pour une batterie avec une tension inhabituellement élevée, intentionnellement dessinée avec des lignes supplémentaires. Les lignes, bien sûr, sont représentatives des plaques cellulaires individuelles :

Quelle est la taille de la batterie ?

Si la taille physique d'une cellule n'a pas d'impact sur sa tension, alors qu'est-ce qu'elle affecte ? La réponse est la résistance, qui à son tour affecte la quantité maximale de courant qu'une cellule peut fournir. Chaque cellule voltaïque contient une certaine quantité de résistance interne due aux électrodes et à l'électrolyte. Plus une cellule est construite, plus la surface de contact de l'électrode avec l'électrolyte est grande, et donc moins elle aura de résistance interne.

Bien que nous considérions généralement une cellule ou une batterie dans un circuit comme une source de tension parfaite (absolument constante), le courant qui la traverse est dicté uniquement par le externe résistance du circuit auquel il est attaché, ce n'est pas tout à fait vrai dans la vraie vie. Étant donné que chaque cellule ou batterie contient une résistance interne, cette résistance doit affecter le courant dans un circuit donné :

La vraie batterie illustrée ci-dessus dans les lignes pointillées a une résistance interne de 0,2 , ce qui affecte sa capacité à fournir du courant à la résistance de charge de 1 . La batterie idéale sur la gauche n'a pas de résistance interne, et donc nos calculs de la loi d'Ohm pour le courant (I=E/R) nous donnent une valeur parfaite de 10 ampères pour le courant avec la charge de 1 ohm et l'alimentation de 10 volts. La vraie batterie, avec sa résistance intégrée, entravant davantage la circulation du courant, ne peut fournir que 8,333 ampères à la même charge de résistance.

La batterie idéale, en court-circuit avec une résistance de 0 , serait capable de fournir une quantité infinie de courant. La vraie batterie, en revanche, ne peut fournir que 50 ampères (10 volts / 0,2 ) à un court-circuit de résistance 0 Ω, en raison de sa résistance interne. La réaction chimique à l'intérieur de la cellule peut toujours fournir exactement 10 volts, mais la tension chute à travers cette résistance interne lorsque le courant traverse la batterie, ce qui réduit la quantité de tension disponible aux bornes de la batterie pour la charge.

Comment connecter des cellules pour minimiser la résistance interne de la batterie ?

Puisque nous vivons dans un monde imparfait, avec des batteries imparfaites, nous devons comprendre les implications de facteurs tels que la résistance interne. En règle générale, les batteries sont placées dans des applications où leur résistance interne est négligeable par rapport à celle de la charge du circuit (où leur courant de court-circuit dépasse de loin leur courant de charge habituel), et donc les performances sont très proches de celles d'une source de tension idéale.

Si nous devons construire une batterie avec une résistance inférieure à ce qu'une cellule peut fournir (pour une plus grande capacité de courant), nous devrons connecter les cellules ensemble en parallèle :

Essentiellement, ce que nous avons fait ici est de déterminer l'équivalent Thevenin des cinq cellules en parallèle (un réseau équivalent d'une source de tension et d'une résistance série). Le réseau équivalent a la même tension de source mais une fraction de la résistance de n'importe quelle cellule individuelle dans le réseau d'origine. L'effet global de la connexion de cellules en parallèle est de diminuer la résistance interne équivalente, tout comme les résistances en parallèle diminuent en résistance totale. La résistance interne équivalente de cette batterie de 5 cellules est 1/5 de celle de chaque cellule individuelle. La tension globale reste la même :2,0 volts. Si cette batterie de cellules alimentait un circuit, le courant à travers chaque cellule serait 1/5 du courant total du circuit, en raison de la répartition égale du courant à travers des branches parallèles à résistance égale.

AVIS :

• Une batterie est un groupe de cellules connectées ensemble pour une plus grande capacité de tension et/ou de courant.
• Les cellules connectées ensemble en série (les polarités aidant) entraînent une tension totale plus élevée.
• La taille physique de la cellule a un impact sur la résistance de la cellule, qui à son tour a un impact sur la capacité de la cellule à fournir du courant à un circuit. Généralement, plus la cellule est grande, moins sa résistance interne est grande.
• Les cellules connectées ensemble en parallèle entraînent une résistance totale moindre et un courant total potentiellement plus élevé.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail sur les piles
• Fiche de travail sur les théorèmes de Thevenin, Norton et de transfert de puissance maximale