Piles spéciales

Cellule standard au mercure

Aux débuts de la technologie de mesure électrique, un type spécial de batterie connu sous le nom de cellule standard au mercure était couramment utilisé comme étalon d'étalonnage de tension. La sortie d'une cellule au mercure était de 1,0183 à 1,0194 volts CC (selon la conception spécifique de la cellule) et était extrêmement stable dans le temps. La dérive annoncée était d'environ 0,004 % de la tension nominale par an. Les cellules standard au mercure étaient parfois appelées cellules Weston ou cellules de cadmium .

Malheureusement, les piles au mercure étaient plutôt intolérantes à tout drain de courant et ne pouvaient même pas être mesurées avec un voltmètre analogique sans compromettre la précision. Les fabricants ne demandaient généralement pas plus de 0,1 mA de courant à travers la cellule, et même ce chiffre était considéré comme un momentané , ou surtension maximum! Par conséquent, les cellules standard n'ont pu être mesurées qu'avec un dispositif potentiométrique (null-balance) où la consommation de courant est presque nulle. Il était interdit de court-circuiter une pile au mercure, et une fois court-circuitée, la pile ne pouvait plus jamais être considérée comme un appareil standard.

Types de cellules standard au mercure

Les piles standard au mercure étaient également sensibles à de légers changements de tension si elles étaient physiquement ou thermiquement perturbées. Deux types différents de cellules étalons au mercure ont été développés à des fins d'étalonnage différentes :saturés et insaturés . Les cellules standard saturées ont fourni la plus grande stabilité de tension dans le temps, au détriment de l'instabilité thermique. En d'autres termes, leur tension dérivait très peu avec le temps (quelques microvolts sur une décennie !) mais avait tendance à varier avec les changements de température (des dizaines de microvolts par degré Celsius). Ces cellules fonctionnaient mieux dans des environnements de laboratoire à température contrôlée où la stabilité à long terme est primordiale. Les cellules non saturées offraient une stabilité thermique au détriment de la stabilité dans le temps, la tension restant pratiquement constante avec les changements de température mais diminuant régulièrement d'environ 100 µV chaque année. Ces cellules fonctionnaient mieux comme dispositifs d'étalonnage « sur le terrain » où la température ambiante n'est pas contrôlée avec précision. La tension nominale pour une cellule saturée était de 1,0186 volts et de 1,019 volts pour une cellule non saturée.

Les références modernes de tension des semi-conducteurs (régulateur à diode Zener) ont remplacé les batteries de cellules standard en tant que normes de tension de laboratoire et de terrain.

Pile à combustible

Un dispositif fascinant étroitement lié aux batteries à cellules primaires est la pile à combustible , ainsi appelé parce qu'il exploite la réaction chimique de la combustion pour générer un courant électrique. Le processus d'oxydation chimique (liaison ionique de l'oxygène avec d'autres éléments) est capable de produire un flux de courant entre deux électrodes aussi bien que n'importe quelle combinaison de métaux et d'électrolytes. Une pile à combustible peut être considérée comme une batterie avec une source d'énergie chimique fournie de l'extérieur.

À ce jour, les piles à combustible les plus réussies construites sont celles qui fonctionnent à l'hydrogène et à l'oxygène, bien que de nombreuses recherches aient été menées sur les piles utilisant des combustibles hydrocarbonés. Tout en « brûlant » de l'hydrogène, les seuls sous-produits de déchets d'une pile à combustible sont de l'eau et une petite quantité de chaleur. Lors du fonctionnement avec des carburants contenant du carbone, du dioxyde de carbone est également libéré en tant que sous-produit. Étant donné que la température de fonctionnement des piles à combustible modernes est bien inférieure à celle de la combustion normale, aucun oxyde d'azote (NOx) ne se forme, ce qui la rend beaucoup moins polluante, tous les autres facteurs étant égaux.

L'efficacité de la conversion d'énergie dans une pile à combustible chimique en électrique dépasse de loin la limite d'efficacité théorique de Carnot d'un moteur à combustion interne, ce qui est une perspective passionnante pour la production d'électricité et les automobiles électriques hybrides.

Cellule solaire

Un autre type de « batterie » est la cellule solaire , un sous-produit de la révolution des semi-conducteurs dans l'électronique. L'effet photoélectrique , par lequel les électrons sont délogés des atomes sous l'influence de la lumière, est connu en physique depuis de nombreuses décennies, mais ce n'est qu'avec les progrès récents de la technologie des semi-conducteurs qu'un dispositif existait capable d'exploiter cet effet à un degré pratique. Les rendements de conversion des cellules solaires au silicium sont encore assez faibles, mais leurs avantages en tant que sources d'énergie sont légion :pas de pièces mobiles, pas de bruit, pas de déchets ou de pollution (hormis la fabrication de cellules solaires, qui est encore une industrie assez « sale » ), et à vie indéfinie.

Le coût spécifique de la technologie des cellules solaires (en dollars par kilowatt) est encore très élevé, avec peu de perspectives de diminution significative à moins d'une sorte de progrès technologique révolutionnaire. Contrairement aux composants électroniques fabriqués à partir d'un matériau semi-conducteur, qui peuvent être de plus en plus petits avec moins de déchets grâce à un meilleur contrôle qualité, une seule cellule solaire nécessite toujours la même quantité de silicium ultra-pur pour fabriquer qu'il y a trente ans. Un contrôle de qualité supérieur ne parvient pas à produire le même gain de production que celui observé dans la fabrication de puces et de transistors (où des taches isolées d'impuretés peuvent ruiner de nombreux circuits microscopiques sur une plaquette de silicium). Le même nombre d'inclusions impures a peu d'impact sur l'efficacité globale d'une cellule solaire de 3 pouces.

Cellule de détection chimique

Encore un autre type de « batterie » à usage spécial est la cellule de détection chimique . En termes simples, ces cellules réagissent chimiquement avec des substances spécifiques dans l'air pour créer une tension directement proportionnelle à la concentration de cette substance. Une application courante pour une cellule de détection chimique est la détection et la mesure de la concentration en oxygène. De nombreux analyseurs d'oxygène portables ont été conçus autour de ces petites cellules. La chimie des cellules doit être conçue pour correspondre à la ou aux substances spécifiques à détecter, et les cellules ont tendance à « s'user », à mesure que leurs matériaux d'électrode s'épuisent ou se contaminent avec l'utilisation.

AVIS :

• Cellules standard au mercure sont des types spéciaux de batteries qui étaient autrefois utilisées comme étalons d'étalonnage de tension avant l'avènement des dispositifs de référence à semi-conducteurs de précision.
• Une pile à combustible est une sorte de batterie qui utilise un combustible et un oxydant comme réactifs pour produire de l'électricité. Ce sont des sources prometteuses d'énergie électrique à l'avenir, « brûlant » des carburants à très faibles émissions.
• Une cellule solaire utilise l'énergie lumineuse ambiante pour motiver les porteurs de charge d'une électrode à l'autre, produisant une tension (et un courant, s'il y a un circuit externe).
• Une cellule de détection chimique est un type spécial de cellule voltaïque qui produit une tension proportionnelle à la concentration d'une substance appliquée (généralement un gaz spécifique dans l'air ambiant).

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail sur les piles