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L'électricité
Les batteries électriques
Pouvoir disposer d'un appareil capable de stocker l'énergie électrique et de la restituer à la demande, a été très tôt une préoccupation des chercheurs et scientifiques dans le monde entier.
Accumulateur au Plomb à électrolyte acide
Dès l'année 1802, le physicien et physiologiste allemand Johann Wilhelm RITTER (1776-1810) observait le phénomène de polarisation sur les électrodes de platine plongeant dans l'eau acidulée. GROVE et un peu plus tard POGGENDORF firent les mêmes observations.
Mais c'est en 1860 que César DESPRETZ (1791-1863) présenta à l'Académie des Sciences le mémoire de Gaston PLANTE sur la réversibilité des "piles secondaires" à électrode de plomb qui avaient la faculté de restituer l'énergie chimique nécessaire à la polarisation sous forme d'un courant électrique.
Son appareil se composait de 2 lames de plomb roulées en spirales et maintenues écartées par des bandes isolantes.
Le courant fourni par des piles couplées en tension oxydait le métal au pôle positif et réduisait l'oxyde de plomb à l'électrode négative.
En reliant les 2 lames ainsi polarisées, PLANTE observa qu'il circulait un courant électrique tant qu'elles n'avaient pas retrouvé leur état chimique primitif.
Pour augmenter la surface des électrodes Planté enroula concentriquement deux bandes de plomb séparées par 2 intercalaires de caoutchouc pour éviter tout contact entre elles.
L'image ci-contre montre le détail du dispositif.
Le tout était contenu dans un bocal de verre rempli d'eau acidulée.
Pour obtenir une capacité de décharge importante, G. Planté constata qu'il était nécessaire de faire subir aux électrodes une série de cycles de charge/décharge qui constituait ce qu'il appela "la formation".
En 1880, le chimiste Camille FAURE qui avait compris que cette préparation de formation des électrodes n'avait pour but que de former une couche suffisante d'oxyde de plomb sur les électrodes imagina d'enduire les électrodes de plomb pur de minium (oxyde rouge Pb3O4) ou de litharge (oxyde gris PbO).
Il résolu ainsi le problème de la formation initiale des électrodes et donna à ses éléments le nom d'accumulateur à formation artificielle pour les distinguer de ceux en plomb pur à formation autogène de G. PLANTE.
Le principal problème à résoudre pour rendre ces accumulateurs industriellement utilisable était la tenue mécanique de l'oxyde de plomb sur l'électrode de base.
Différents chercheurs parvinrent à améliorer la tenue de cet oxyde et le premier élément industriellement utilisable fut sans doute celui de FAURE-SELLON-VOLCKMAR connu aussi sous le nom de EPS (Electrical Power Storage).
Les accumulateurs au plomb à formation autogène ne sont plus utilisés de nos jours.
Les seuls accumulateurs commercialisés sont à électrodes de plomb recouvertes d'oxydes artificiels de plomb et toutes les évolutions technologiques ont visées à améliorer la tenue mécanique et la capacité en recherchant des arrangements qui sous un volume donné des éléments donnent une surface d'électrode maximale.
Le système TUDOR à plaques profilées enduites d'oxyde est un des plus anciens type de batterie au plomb.
Il offrait l'avantage d'une bonne tenue mécanique dans le temps et d'une possibilité de réparation (recharge de l'oxyde)
Bien sûr la capacité spécifique de ces éléments était loin de celle de nos batteries actuelles..
La forme des surfaces des plaques a été amélioré au cours du temps dans le but d'augmenter cette capacité et la batterie de nos automobiles est l'aboutissement d'évolutions technologiques successives.
Comme pour les piles, la mise en série de cellules élémentaires permet d'obtenir des tensions plus ou moins grandes et le volume des électrodes permet de jouer sur la capacité de stockage ...
... d'où le nom de batterie d'accumulateurs donné aux ensembles composés de plusieurs éléments.
L'image ci-contre montre l'assemblage des éléments dans une batterie de marque EDIXE (production anglaise vers 1923 - The Wireless World & Radio Review).
Cliquez ici pour voir un autre exemple de réalisation EXIDE
La capacité des accumulateurs est exprimée en ampère-heures(Ah).
Une batterie de 75 Ah, par exemple, permet en théorie de fournir un courant constant de 75 Ampère pendant une durée de 1 heure ou de 7,5 ampères pendant 10 heures.
La pleine charge d'une telle batterie est obtenue en faisant passer un courant de 1/10ième de la capacité pendant 10 heures (durée de charge théorique standard).
L'image ci-contre montre une batterie d'accumulateurs de 5 000 ampères-heures de la société Gramme qui était utilisée pour des applications industrielles vers 1910.
On parle aussi de capacité spécifique qui est la capacité de la batterie ramenée au Kilo de plaque. Elle varie de 10 à 20 Ah pour les batteries au plomb traditionnelles et sans doute plus aujourd'hui avec les batteries de dernière génération.
Accumulateurs pour application à la TSF
Les tous premiers appareils de TSF dits "modèle batteries" sont alimentés par des piles dans le cas ou l'énergie électrique n'est pas disponible ou par des accumulateurs dès qu'une source de courant de charge est utilisable.
Deux batteries sont en général employées :
- une batterie basse tension de 4 Volts et de forte capacité réservée au "chauffage" des lampes (alimentation du filament).
- une batterie "haute tension" de 120 Volts équipée de prises intermédiaires à 40 et 80 Volts. Cette batterie destinée à la tension plaque est de faible capacité compte tenu du débit de courant demandé.
L'image ci-contre montre un exemples de ce type de matériel.
L'électrolyte est une solution d'acide sulfurique dans l'eau.
L'entretien de ce type de matériel en milieu domestique n'était pas sans poser de sérieux problèmes.
Cet aspect des choses est à l'origine de la disparition des batteries d'accumulateurs dès que le réseau électrique a permis une arrivée directe de l'électricité chez les particuliers.
Les différentes cellules (100 cellules pour 120V) sont équipées d'électrodes amovibles.
Sur cette image on peut repérer le pôle positif (plaque rouge à gauche) et le pôle négatif (plaque grise à droite).
Il y a fort à penser que la standardisation des couleurs (rouge et noir pour + et -) doit trouver ici son origine.
La coupe de cet accumulateur de chauffage (4V) permet aussi de visualiser les différentes "plaques" séparées par un intercalaire en matière isolante perforé (plaques rouges et grises).
L'ensemble est enfermé dans un réservoir étanche en matière synthétique (celluloïd transparent) équipé d'un orifice de remplissage muni d'un bouchon .
L'accumulateur était rempli d'eau acidulée et chargé avant utilisation.
Le détail de la partie interne de l'accumulateur permet de bien distinguer les empilages successifs de plaques d'oxyde de plomb rouges et grises et les intercalaires en matière plastique perforée qui permettent de laisser circuler l'électrolyte.
Dans cette batterie à électrodes épaisses, il était possible d'emmagasiner beaucoup d'énergie. Ces batteries de forte capacité et de faible tension (1,5 à 4 V) étaient destinées à alimenter le filament des lampes de radio (batteries de chauffage)..
Accumulateur alcalin Fer-Nickel ou Nickel-Cadmium
Ces accumulateurs sont tous dérivés de l'appareil inventé et breveté par EDISON vers 1901.
Dans ces accumulateurs, les cycles de charge/décharge jouent sur le phénomène d'oxydation /réduction des électrodes. L'électrolyte qui est en général une solution de soude ou de potasse ne joue qu'un rôle de véhicule pour les ions et ne prend pas part (au moins vue de l'extérieur) aux phénomènes d'oxydo-réduction.
La décharge des batteries au plomb
Ces batteies d'accumulateur stockent l'électricité par des réactions électrochimiques comme on l'a vu (processus de charge) et "fabriquent" à nouveau de l'électricité par un processus inverse (processus de décharge).
En fin de charge complète, la tension par élément est de l'ordre de 2,3 V soit un peu plus de 13,5 V pour une batterie à 6 éléments type batterie de voiture (batteries dites 12 V).
Pendant la phase de décharge, la tension va rester assez constante puis va baisser rapidement en fin de décharge. Si le circuit électrique n'est pas ouvert, la tension va tendre rapidement vers zéro en même temps que des processus chimiques complexes vont conduire à une destruction des électrodes de la batterie. Un phénomène bien connu est la sulfatation des électrodes en plomb qui entraine une impossibilité de recharge ultérieure de l'appareil.
Si l'on mesure la tension aux bornes d'un élément de batterie au cours d'une décharge lente, on constate qu'elle suit une courbe du type de celle représentée ci-dessous.
Courbe de tension de décharge d'une batterie au plomb
Pour conserver une batterie en bon état, il est impératif d'arrêter la décharge quand la tension par élément arrive à 1,85 V.
Les pionniers de la T.S.F. surveillaient très attentivement et régulièrement la tension de leurs "batteries de chauffage" (2 éléments - 4 V) à l'aide d'un voltmètre et les remettaient en charge quand la tension arrivait à 3,6 V.
Sur nos voitures modernes, l'alternateur maintient la batterie à un niveau de charge constant sous la surveillance d'un "régulateur de charge" jadis électro-mécanique , mais aujourd'hui bien sûr électronique. Si vous êtes en panne et mesurez une tension inférieure à 11 V, il y a de fortes chances pour que votre batterie soit "morte".
Appareil de contrôle de l'état de charge des batteries de 12 V (automobiles ou autres)
Dispositifs utilisés pour la charge des batteries
La charge des batteries d'accumulateur est faite, comme on l'a vu, avec du courant continu.
Différents types de dispositifs ont été inventés pour charger, de façon industrielle les batteries, dispositifs qui varient suivant la puissance à installer et l'énérgie primaire de départ.
On distinguera 2 grandes familles de base :
- la production de courant continu à partir d'un générateur entrainé par un moteur thermique (voire hydraulique), mais aussi par un moteur électrique (groupe convertisseur).
-la transformation directe du courant alternatif disponible sur un réseau en courant continu
Les Machines Tournantes
La dynamo
Le générateur de courant continu le plus ancien et le plus connu est, bien sûr, la dynamo.
L'invention de cette machine est attribuée, comme vous le savez déjà, à l'électricien belge Zénobe GRAMME (1826-1901)
Une dynamo se reconnait facilement au collecteur constitué par des lames de cuivres isolées sur lesquelles viennent frotter des contacts en graphite. Ce collecteur, monté en bout d'arbre, est une zone sensible de la machine qui demande une surveillance régulière en exploitation et une maintenance périodique.
Noter que ce collecteur rainuré - est à distinguer des contacts tournants lisses que l'on rencontre sur d'autres types de machines électriques.
Si des machines de grande puissance étaient construites pour alimenter des réseaux de fourniture de courant, des machines de taille plus petites étaient aussi vendues pour des installation de taille plus modeste.
Ces machines répondaient aux besoins de l'industrie lourde (sidérurgie, mines, ....) ou l'emploi de batteries était courant (éclairage, levage, secours, signalisation,...), mais aussi de la marine, de l'armement, de la téléphonie, des chemins de fer et des installations électriques de secours (groupes électrogènes), sans oublier bien sûr de la télégraphie et de la radio.
Les "postes de charge" pour batteries d'accumulateurs faisaient appel à des machines robustes, d'entretien facile et d'exploitation assez simple.
Ces dynamos étaient entrainées en général par un moteur thermique (moteur à pétrole, moteur diesel).
L'image ci-dessus montre une dynamo universelle DUCRETET, sans doute une machine à usage pédagogique.
Une telle machine était capable de fournir 4 A sous 50 V en continu.
Le collecteur avec ses balais est visibles à droite au niveau de l'arbre.
Souvenons nous que la dynamo était largement employée pour la recharge des batteries d'automobile il y a encore quelques années.
Les Groupes convertisseurs
Chaque fois que du courant électrique était disponible, il était normal de pouvoir l'utiliser pour la charge des batteries.
Dans le cas ou le réseau électrique fournissant du courant alternatif, il n'était pas possible bien sûr d'utiliser directement ce courant sans le transformer en courant continu.
Les constructeurs ont donc produit des groupes convertisseurs, ensembles composés d'un moteur électrique à courant alternatif couplé à une dynamo (groupe moto-générateur).
Ces machines composites ont été des solutions techniques employées pour des installations jusqu'à de fortes puissances (500 à 5 000 KW).
Des conceptions intégrées ont été proposées sous la forme d'une seule machine appelée "commutatrice", machine unique qui comporte dans un même ensemble la partie moteur et la génératrice.
Le rendement de ce type de machine peut atteindre 85 à 90%.
Lorsque le courant continu était accessible au niveau des particuliers, il était facile d'installer un banc de charge que l'utilisateur venait raccorder directement au secteur - en général 110 V continu.
Les systèmes redresseurs
Ce sont des dispositifs statiques, non tournant, utilisés pour charger les batteries d'accumulateurs à partir du courant alternatif du réseau.
Parmi les plus anciens, on peut citer :
Les Valves à gaz
Les Redresseurs statiques métal-oxyde
Les Redresseurs à vibrateur magnétique
Les chargeurs à valve thermo-ionique pour la TSF
Sources :
- Pour les plans de machines électriques : Guide-manuel pratique de l'ouvrier électricien de H. de Graffigny - Librairie H. DESFORGES - Paris - 1914
- Manuel pratique du monteur électricien - J Laffargue - Bernard TIGNOL Editeur - PARIS - 1897
- Manuel Pratique de l'Electricien - Librairie Polytechnique, Baudry & Cie-PARIS - Edition de 1897
- La TSF à la portée de tous - Edition H. Denis
- Nouvelle Encyclopédie Pratique de Mécanique et Electricité - Quillet - Paris - Edition 1924.
- L'apprentissage de la T.S.F. - André CLAVIER - Albin Michel Editeur - PARIS - 1924