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L’histoire de la Pile reflète le développement historique des différentes cellules électrochimiques utilisées pour obtenir un courant électrique à partir de l’énergie physique contenue dans les substances chimiques qui subissent une réaction d’oxydoréduction.
Dans ce cas, le nom de pile se réfère à l'étain générique à tous les dispositifs qui génèrent un courant directe à partir d’une réaction chimique, bien qu'il existe des différences, notamment : les cellules voltaïques (primaires et secondaires), des batteries électriques, accumulateurs, batteries et les piles à combustible.
La batterie de Bagdad
Vers 1927, des archéologues ont découvert dans un village près de Bagdad, un ensemble de récipients en terre cuite contenant chacun un rouleau de feuille de cuivre abritant une tige de fer. Certains scientifiques pensent que ces gadgets pourraient être de vieilles cellules galvaniques (environ 2 000 ans, bien que le calcul de l'âge soit encore débattu), qui sont appelées la " batterie de Bagdad ". On pense qu'un acide commun dans les aliments, comme le jus de citron ou le vinaigre, servait d'électrolyte Cependant, il semble que ces conteneurs n'aient jamais contenu d'électrolyte à l'intérieur (sans lequel ils n'auraient pas pu fonctionner comme des batteries). Les répliques modernes ont réussi à produire des courants électriques, ce qui donne du crédit à cette hypothèse. Si l'échantillon était en fait une batterie, il aurait pu être utilisé pour la galvanoplastie (cependant, pour déposer 10 grammes d'or ou d'argent avec l'intensité générée par l'une de ces batteries, il aurait fallu près de 6 jours de fonctionnement continu, il est donc très improbable), pour produire de légères décharges électriques comme source d'expérience religieuse, ou simplement utilisé pour stocker de vieux parchemins.
Batterie voltaïque (1800)
En 1780, Luigi Galvani disséquait une grenouille attachée avec un crochet métallique. Quand il a touché la patte de la grenouille avec son scalpel de fer, il s'est rétréci comme si l'animal était encore en vie. Galvani pensait que l'énergie qui avait provoqué la contraction musculaire observée provenait de la même jambe et l'appelait "électricité animale".
Cependant, Alessandro Volta, un ami et collègue scientifique, n'était pas d'accord, estimant que ce phénomène était en fait causé par l'union ou le contact entre deux métaux différents qui étaient réunis par une connexion humide. Volta lui-même a vérifié expérimentalement cette hypothèse et l'a publiée en 1791. Elle a été perfectionnée jusqu'à ce que, en 1800, Volta invente la première batterie ou générateur électrochimique capable de produire un courant électrique maintenu dans le temps, et était donc connue sous le nom de batterie voltaïque. La pile voltaïque se compose de paires de disques en cuivre et en zinc empilés les uns sur les autres (d'où le nom de la batterie), séparés par une couche de tissu ou de carton imprégné de saumure (c'était l’électrolyte). Contrairement à la bouteille de Leyde, la batterie voltaïque a produit un courant constant et régulier, et a perdu peu de charge au fil du temps lorsqu'elle n'était pas utilisée, bien que ses premiers modèles ne produisent pas une tension suffisamment élevée pour produire des étincelles. Il a expérimenté divers métaux et a découvert que le zinc et l’argent donnaient les meilleurs résultats.
Volta croyait que le courant était produit à la suite de l'union entre deux matériaux différents, se touchant simplement (cette théorie scientifique obsolète était connue sous le nom de tension de contact), et non à la suite de réactions chimiques. Par conséquent, il considérait que la corrosion subie par les plaques de zinc pouvait être un défaut connexe qui pourrait peut-être corriger d'une manière ou d'une autre avec le changement de matériaux. Cependant, aucun scientifique n'a réussi à éviter cette corrosion. En fait, il a été observé que la corrosion était plus rapide lorsque plus de courant se produisait. Cela suggérait que la corrosion faisait vraiment partie intégrante de la capacité de la batterie à produire un courant. Cela a conduit en partie au rejet de la théorie de la tension de contact au profit de la théorie électrochimique. Dans les illustrations de Volta de sa pile de couronnes et de la pile voltaïque, des disques métalliques supplémentaires apparaissent en haut et en bas qui sont maintenant connus pour être inutiles.
Les modèles de batteries Volta d'origine présentaient des défaillances techniques, telles que des fuites d'électrolyte et des court-circuit dus au poids des disques qui compriment les chiffons imbibés de saumure. L'Anglais William Cruickshank a résolu ce problème en fixant les éléments dans une boîte au lieu de les empiler en tas. Cela s'appelait la batterie de secours. Volta lui-même a conçu une variante qui consistait en une chaîne de récipients remplis d'une solution saline, rejoints par des arcs métalliques immergés dans le liquide. Ceci était connu comme la couronne de tasses ou la pile de couronnes. Ces arcs étaient constitués de deux métaux différents (par exemple, le zinc et le cuivre), soudés ensemble. Ce modèle est également avéré plus efficace que les batteries d’origine, bien qu’il n’était pas si populaire.
Comment fonctionnent les piles?
Lorsqu'une batterie est déchargée, la réaction chimique produit des électrons supplémentaires lorsque la réaction se produit. Un exemple de réaction qui produit des électrons est l'oxydation du fer pour produire de la rouille. Le fer réagit avec l'oxygène et cède des électrons à l'oxygène pour produire de l'oxyde de fer.
La construction standard d'une batterie consiste à utiliser deux métaux ou composés ayant des potentiels chimiques différents et à les séparer avec un isolant poreux. Le potentiel chimique est l'énergie stockée dans les atomes et les liaisons des composés, qui est ensuite transmise aux électrons en mouvement, lorsque ceux-ci sont autorisés à se déplacer à travers le dispositif externe connecté.
Un fluide conducteur tel que le sel et l'eau est utilisé pour transférer les ions solubles d'un métal à l'autre pendant la réaction est appelé l'électrolyte.
Le métal ou composé qui perd les électrons pendant la décharge est appelé anode et le métal ou composé qui accepte les électrons est appelé cathode. Ce flux d'électrons de l'anode à la cathode via la connexion externe est ce que nous utilisons pour faire fonctionner nos appareils électroniques.