Caractéristiques Électriques d’une Pile Plate

Caractéristiques Électriques d’une Pile Plate

Caractéristiques Électriques d’une Pile Plate

Contexte : Au cœur du générateur.

Une pile ou une batterie ne sont pas des générateurs "parfaits". Si une pile neuve de 4,5 V est indiquée sur l'emballage, la tension que l'on mesure réellement à ses bornes lorsqu'elle débite du courant est toujours un peu plus faible. Cette différence est due à la résistance interneLa résistance interne (r), en Ohms (Ω), est une résistance inhérente au générateur lui-même, due à la composition de ses matériaux. Elle provoque une chute de tension et un échauffement quand la pile débite du courant. de la pile. Comprendre et mesurer cette résistance, ainsi que la force électromotriceLa force électromotrice (f.é.m.), notée E et en Volts (V), est la tension "à vide" du générateur, c'est-à-dire quand il ne débite aucun courant. C'est la tension maximale qu'il peut fournir. (f.é.m.), permet de modéliser le comportement d'un générateur réel et de prédire la tension qu'il fournira dans un circuit donné.

Remarque Pédagogique : Cet exercice vous apprend à tracer et à interpréter la "caractéristique" d'un dipôle, une compétence fondamentale en physique. En relevant des couples de mesures (Tension, Intensité) et en les représentant sur un graphique, nous pouvons visualiser le comportement du composant et en extraire ses grandeurs caractéristiques (ici, E et r). C'est une démarche expérimentale et graphique essentielle.


Objectifs Pédagogiques

  • Réaliser un montage pour relever la caractéristique tension-courant d'une pile.
  • Tracer et modéliser une courbe expérimentale à l'aide d'une fonction affine.
  • Déterminer graphiquement la force électromotrice (f.é.m.) et la résistance interne d'une pile.
  • Calculer le courant de court-circuit et comprendre sa signification physique.
  • Appliquer la loi d'Ohm aux bornes d'un générateur réel.

Données de l'étude

Pour déterminer les caractéristiques d'une pile plate (modèle 4,5 V), on réalise un montage comprenant la pile, un ampèremètre, un voltmètre et une résistance variable (rhéostat). En faisant varier la résistance, on mesure pour plusieurs points de fonctionnement la tension \(U_{\text{PN}}\) aux bornes de la pile et l'intensité \(I\) qu'elle débite. Les résultats sont consignés dans le tableau suivant :

Schéma du montage expérimental
P N A V
Intensité \(I\) (\(\text{mA}\)) Tension \(U_{\text{PN}}\) (\(\text{V}\))
50 4,45
100 4,40
150 4,35
200 4,30
250 4,25

Questions à traiter

  1. Tracer la caractéristique de la pile, c'est-à-dire le graphique de la tension \(U_{\text{PN}}\) en fonction de l'intensité \(I\). On prendra soin de convertir l'intensité en ampères.
  2. La caractéristique obtenue est une droite. Déterminer son équation de la forme \(U_{\text{PN}} = a \cdot I + b\).
  3. En utilisant le modèle théorique d'un générateur (\(U_{\text{PN}} = E - r \cdot I\)), identifier la force électromotrice \(E\) et la résistance interne \(r\) de la pile.
  4. Calculer le courant de court-circuit \(I_{\text{cc}}\) de cette pile.

Les bases de l'Électricité

Avant de plonger dans la correction, revoyons le modèle d'un générateur réel.

Le Générateur Réel :
Un générateur réel n'est pas parfait. On le modélise comme un "générateur idéal" de tension constante \(E\) (sa force électromotrice), en série avec une "résistance interne" \(r\).

  • La force électromotrice (f.é.m.) \(E\) est la tension maximale que la pile peut fournir. C'est sa tension "à vide", quand aucun courant ne circule (\(I=0\)).
  • La résistance interne \(r\) représente les pertes d'énergie (sous forme de chaleur) à l'intérieur même de la pile quand elle débite du courant.
La tension \(U_{\text{PN}}\) disponible à ses bornes diminue donc lorsque l'intensité \(I\) augmente, selon la loi : \(U_{\text{PN}} = E - r \cdot I\).


Correction : Caractéristiques Électriques d’une Pile Plate

Question 1 : Tracer la caractéristique de la pile

Principe (le concept physique)

Tracer la caractéristique d'un composant électrique consiste à représenter graphiquement la relation entre la tension à ses bornes et l'intensité du courant qui le traverse. Ce graphique est une véritable "carte d'identité" visuelle du composant, qui révèle comment il se comporte dans un circuit.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

Pour tracer un graphique, on place conventionnellement la grandeur que l'on fait varier (ou qui est la "cause") en abscisse (axe des x) et la grandeur que l'on mesure (l'"effet") en ordonnée (axe des y). Ici, on fait varier l'intensité \(I\) (en changeant la résistance du circuit) et on mesure la tension \(U_{\text{PN}}\) qui en résulte. On trace donc \(U_{\text{PN}}\) en fonction de \(I\).

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Le soin apporté au graphique est essentiel. Choisissez des échelles simples et adaptées pour que les points occupent la majorité de l'espace. N'oubliez pas de nommer les axes et de préciser leurs unités. Un bon graphique doit être lisible et compréhensible sans avoir à lire le texte qui l'accompagne.

Normes (la référence réglementaire)

En sciences expérimentales, la présentation des données sous forme de tableau puis de graphique est une norme universelle pour la communication et l'analyse des résultats.

Formule(s) (l'outil mathématique)

Il n'y a pas de formule pour cette étape, il s'agit d'une construction graphique à partir des données.

Hypothèses (le cadre du calcul)

On suppose que les mesures expérimentales sont exemptes d'erreurs significatives.

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
\(I\) (\(\text{A}\))\(U_{\text{PN}}\) (\(\text{V}\))
0,0504,45
0,1004,40
0,1504,35
0,2004,30
0,2504,25
Astuces(Pour aller plus vite)

Avant de tracer, convertissez toutes vos intensités en Ampères pour avoir des unités cohérentes pour la suite de l'exercice. Cela évite les erreurs de calcul plus tard.

Schéma (Avant les calculs)

L'objectif est de placer les points du tableau de données sur un repère orthonormé.

Calcul(s) (l'application numérique)

Cette étape est la construction du graphique lui-même.

Schéma (Après les calculs)
Caractéristique \(U_{\text{PN}} = f(I)\) de la pile
Réflexions (l'interprétation du résultat)

Le graphique montre que les points sont quasiment alignés sur une droite décroissante. Cela signifie que la tension aux bornes de la pile diminue de manière linéaire lorsque l'intensité du courant qu'elle débite augmente. Ce comportement est caractéristique d'un générateur réel.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

L'erreur la plus commune est d'oublier de convertir les intensités en Ampères, ce qui fausse complètement l'échelle de l'axe des abscisses et les calculs qui suivront. Une autre erreur est d'inverser les axes.

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
  • La caractéristique d'une pile est la courbe \(U = f(I)\).
  • Pour une pile réelle, c'est une droite décroissante.
  • Le tracé graphique est une étape clé de l'analyse expérimentale.
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

Les batteries de voitures électriques ont des caractéristiques beaucoup plus complexes. Leur tension dépend non seulement du courant débité, mais aussi de leur niveau de charge, de leur température et de leur vieillissement. Des systèmes électroniques complexes (BMS - Battery Management System) sont nécessaires pour surveiller et gérer ces paramètres en temps réel.

FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
Le tracé des points expérimentaux forme une droite décroissante, ce qui est conforme au modèle d'un générateur réel.
A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

Sur le graphique, quelle serait approximativement la tension si le courant était de 125 mA ?

Question 2 : Déterminer l'équation de la droite

Principe (le concept physique)

Puisque les points expérimentaux forment une droite, on peut décrire la relation physique entre la tension et l'intensité par un modèle mathématique simple : une équation de droite (ou fonction affine). Trouver cette équation, c'est "modéliser" le comportement de la pile.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

Une droite a pour équation générale \(y = a \cdot x + b\). Dans notre cas, \(y = U_{\text{PN}}\) et \(x = I\). Le coefficient \(a\) est la "pente" (ou coefficient directeur) de la droite, et \(b\) est l'"ordonnée à l'origine" (la valeur de y quand x=0). La pente se calcule en prenant deux points A(\(x_A, y_A\)) et B(\(x_B, y_B\)) de la droite : \(a = (y_B - y_A) / (x_B - x_A)\).

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Pour obtenir un résultat précis, il est préférable de choisir deux points les plus éloignés possible sur la droite "moyenne" que l'on a tracée, plutôt que deux points de mesure successifs. Cela minimise l'impact des petites imprécisions de mesure.

Normes (la référence réglementaire)

En métrologie, les méthodes de régression linéaire (comme la méthode des moindres carrés, utilisée par les calculatrices et logiciels) sont les outils normalisés pour déterminer la meilleure droite passant par un nuage de points expérimentaux.

Formule(s) (l'outil mathématique)

Équation de la droite :

\[U_{\text{PN}} = a \cdot I + b\]

Calcul de la pente :

\[ a = \frac{\Delta U_{\text{PN}}}{\Delta I} = \frac{U_B - U_A}{I_B - I_A} \]
Hypothèses (le cadre du calcul)

On fait l'hypothèse que le comportement de la pile est parfaitement linéaire dans la plage de courants étudiée.

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)

On choisit deux points extrêmes de notre tableau de mesures :

  • Point A : \(I_A = 0.050 \, \text{A}\), \(U_A = 4.45 \, \text{V}\)
  • Point B : \(I_B = 0.250 \, \text{A}\), \(U_B = 4.25 \, \text{V}\)
Astuces(Pour aller plus vite)

La pente sera négative, car la droite "descend". Si vous trouvez une pente positive, vous avez probablement inversé les points dans la soustraction. Vérifiez toujours le signe du résultat par rapport à l'allure du graphique.

Schéma (Avant les calculs)
Détermination de la pente
I (A)U (V)ABΔUΔI
Calcul(s) (l'application numérique)

1. Calcul de la pente \(a\) :

\[ \begin{aligned} a &= \frac{U_B - U_A}{I_B - I_A} \\ &= \frac{4.25 \, \text{V} - 4.45 \, \text{V}}{0.250 \, \text{A} - 0.050 \, \text{A}} \\ &= \frac{-0.20 \, \text{V}}{0.200 \, \text{A}} \\ &= -1.0 \, \Omega \end{aligned} \]

2. Calcul de l'ordonnée à l'origine \(b\) :

On utilise l'équation \(U_A = a \cdot I_A + b\) et on isole \(b\).

\[ \begin{aligned} b &= U_A - a \cdot I_A \\ &= 4.45 \, \text{V} - (-1.0 \, \Omega \cdot 0.050 \, \text{A}) \\ &= 4.45 \, \text{V} + 0.05 \, \text{V} \\ &= 4.50 \, \text{V} \end{aligned} \]

L'équation de la droite est donc :

\[ U_{\text{PN}} = -1.0 \cdot I + 4.50 \]
Schéma (Après les calculs)

Le modèle mathématique est maintenant superposé au graphique expérimental.

Réflexions (l'interprétation du résultat)

Nous avons trouvé un modèle mathématique qui décrit très bien le comportement de notre pile. La tension de départ (à courant nul) est de 4,50 V, et elle diminue de 1,0 V pour chaque ampère de courant débité.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

Attention aux unités lors du calcul de la pente. Une tension en Volts divisée par une intensité en Ampères donne bien une résistance en Ohms. Si vous aviez utilisé les milliampères, votre pente aurait été 1000 fois plus petite et incorrecte.

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
  • Une relation linéaire se modélise par une équation de droite \(y = ax+b\).
  • La pente \(a\) se calcule par \( \Delta y / \Delta x \).
  • L'ordonnée à l'origine \(b\) est la valeur de \(y\) quand \(x=0\).
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

La "mort" d'une pile n'est pas due à la disparition de sa f.é.m. \(E\) (qui reste relativement stable), mais à l'augmentation très importante de sa résistance interne \(r\). Même si la pile a encore de la "force", sa résistance interne devient si grande qu'elle ne peut plus fournir un courant suffisant pour alimenter un appareil.

FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
L'équation de la caractéristique de la pile est \(U_{\text{PN}} = -1.0 \cdot I + 4.50\).
A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

Si une droite passe par les points (0.1 A ; 8.8 V) et (0.3 A ; 8.4 V), quelle est sa pente (en Ω) ?

Question 3 : Identifier la force électromotrice E et la résistance interne r

Principe (le concept physique)

Le modèle mathématique que nous avons trouvé expérimentalement (\(U = aI+b\)) doit correspondre au modèle physique théorique d'un générateur (\(U = -rI+E\)). En comparant terme à terme les deux équations, on peut donner un sens physique aux coefficients \(a\) et \(b\) que nous avons calculés : ils représentent la résistance interne et la force électromotrice de la pile.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

L'identification est une démarche puissante en sciences. On part d'une loi théorique (modèle physique) et de résultats expérimentaux (modèle mathématique). Si les deux modèles ont la même forme, on peut identifier les paramètres théoriques (comme E et r) avec les coefficients mesurés (comme a et b). Cela permet de mesurer des grandeurs physiques qui ne sont pas directement accessibles.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

C'est ici que la physique prend tout son sens ! Les nombres "abstraits" \(a\) et \(b\) de la question précédente deviennent des grandeurs physiques concrètes et importantes : la f.é.m. \(E\) (la "force" de la pile) et sa résistance interne \(r\) (sa "faiblesse").

Normes (la référence réglementaire)

Les fiches techniques (datasheets) des fabricants de piles et batteries fournissent toujours les valeurs nominales de la force électromotrice (souvent appelée "tension nominale") et une valeur typique ou maximale de la résistance interne.

Formule(s) (l'outil mathématique)

On compare le modèle expérimental :

\[U_{\text{PN}} = a \cdot I + b\]

avec le modèle théorique :

\[U_{\text{PN}} = -r \cdot I + E\]

Par identification, on obtient :

\[E = b\]
\[r = -a\]
Hypothèses (le cadre du calcul)

On suppose que le modèle théorique \(U = E - rI\) est une description fidèle du comportement de la pile.

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
  • Pente calculée, \(a = -1.0 \, \Omega\)
  • Ordonnée à l'origine, \(b = 4.50 \, \text{V}\)
Astuces(Pour aller plus vite)

L'ordonnée à l'origine \(b\) est simplement la tension lorsque le courant est nul : c'est la définition de la f.é.m. \(E\). La résistance interne \(r\) est l'opposé de la pente. Comme la pente est négative, la résistance interne sera positive, ce qui est physiquement logique !

Schéma (Avant les calculs)
Identification Graphique
IUb = E = ?pente = a = -r = ?
Calcul(s) (l'application numérique)

On applique directement l'identification :

\[ E = b \Rightarrow E = 4.50 \, \text{V} \]
\[ \begin{aligned} r &= -a \\ &= -(-1.0 \, \Omega) \\ &= 1.0 \, \Omega \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Modèle de la Pile Réelle
Pile RéelleE = 4.5 Vr = 1.0 Ω
Réflexions (l'interprétation du résultat)

La pile a une force électromotrice de 4,50 V, ce qui correspond bien à la valeur attendue pour une pile plate neuve. Sa résistance interne est de 1,0 Ω. Cela signifie que pour chaque ampère de courant débité, la tension à ses bornes chutera de 1,0 V.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

Une résistance est toujours une grandeur positive. Si vous trouvez un \(r\) négatif, c'est que vous avez oublié le signe "moins" dans la relation \(r = -a\). C'est une erreur très fréquente !

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
  • La f.é.m. \(E\) est l'ordonnée à l'origine de la caractéristique \(U=f(I)\).
  • La résistance interne \(r\) est l'opposé de la pente de cette même caractéristique.
  • L'identification permet de lier un modèle mathématique à une réalité physique.
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

Les batteries au Lithium-ion, utilisées dans nos téléphones et voitures, ont des résistances internes très faibles (quelques dizaines de milliohms). C'est ce qui leur permet de délivrer de très forts courants sans que leur tension ne s'effondre, et donc de fournir une grande puissance.

FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
La pile étudiée a une force électromotrice \(E = 4.50 \, \text{V}\) et une résistance interne \(r = 1.0 \, \Omega\).
A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

L'équation d'une caractéristique est \(U = -5 \cdot I + 9\). Quelles sont les valeurs de E (en V) et r (en Ω) ?

Question 4 : Calculer le courant de court-circuit Icc

Principe (le concept physique)

Le courant de court-circuit est le courant maximal théorique qu'un générateur peut débiter. Il est obtenu lorsque ses bornes P et N sont reliées par un fil de résistance nulle. Dans ce cas, la tension aux bornes de la pile devient nulle (\(U_{\text{PN}}=0\)), car toute la tension est "perdue" à l'intérieur de la pile, dans sa propre résistance interne.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

Le courant de court-circuit \(I_{\text{cc}}\) est un point de fonctionnement extrême du générateur. Il représente l'intersection de la droite caractéristique \(U = E - rI\) avec l'axe des abscisses (l'axe des courants, où U=0). C'est une valeur importante car elle caractérise la capacité du générateur à fournir un courant intense, mais aussi le danger potentiel qu'il représente.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Le calcul de \(I_{\text{cc}}\) est un exercice théorique. En pratique, il ne faut JAMAIS court-circuiter une pile ou une batterie ! Le courant très intense produit un échauffement extrême (effet Joule) qui peut faire couler, exploser la pile et provoquer des brûlures ou des incendies.

Normes (la référence réglementaire)

Les normes de sécurité électrique (comme la norme NF C 15-100 en France) imposent l'utilisation de dispositifs de protection (fusibles, disjoncteurs) calibrés pour couper le courant bien avant qu'il n'atteigne les valeurs de court-circuit dangereuses pour une installation.

Formule(s) (l'outil mathématique)

On part de l'équation du générateur :

\[ U_{\text{PN}} = E - r \cdot I \]

On pose la condition du court-circuit, \(U_{\text{PN}} = 0\) et \(I = I_{\text{cc}}\), ce qui donne :

\[ 0 = E - r \cdot I_{\text{cc}} \]

On en déduit la formule du courant de court-circuit :

\[ I_{\text{cc}} = \frac{E}{r} \]
Hypothèses (le cadre du calcul)

On suppose que E et r restent constants même pour des courants très élevés, ce qui en réalité n'est qu'une approximation.

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
  • Force électromotrice, \(E = 4.50 \, \text{V}\)
  • Résistance interne, \(r = 1.0 \, \Omega\)
Astuces(Pour aller plus vite)

C'est une simple application de la loi d'Ohm à l'ensemble de la pile : le courant maximal est la tension maximale (\(E\)) divisée par la seule résistance présente, la résistance interne (\(r\)).

Schéma (Avant les calculs)
Point de Court-Circuit sur la Caractéristique
IUIcc = ?
Calcul(s) (l'application numérique)
\[ \begin{aligned} I_{\text{cc}} &= \frac{E}{r} \\ &= \frac{4.50 \, \text{V}}{1.0 \, \Omega} \\ &= 4.5 \, \text{A} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Modèle en Court-Circuit
Pile en Court-CircuitE = 4.5 Vr = 1.0 ΩIcc = 4.5 A
Réflexions (l'interprétation du résultat)

Le courant de court-circuit théorique est de 4,5 A. C'est un courant très élevé pour une simple pile, plus de 20 fois supérieur au courant maximal mesuré dans notre expérience. Cela confirme le danger que représenterait un court-circuit réel.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

NE JAMAIS FAIRE CETTE EXPÉRIENCE EN VRAI. Le calcul du courant de court-circuit est une extrapolation théorique. Tenter de le mesurer directement est extrêmement dangereux.

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
  • Le court-circuit correspond à \(U_{\text{PN}} = 0\).
  • Le courant de court-circuit est le courant maximal qu'une pile peut fournir.
  • Il se calcule par \(I_{\text{cc}} = E/r\).
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

Les postes de transformation électrique qui alimentent nos villes peuvent avoir des courants de court-circuit de plusieurs dizaines de milliers d'ampères. Les arcs électriques créés lors de tels événements sont spectaculaires et destructeurs, fondant le métal en quelques instants. C'est pourquoi la conception des protections est un enjeu majeur de sécurité en génie électrique.

FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
Le courant de court-circuit théorique de la pile est \(I_{\text{cc}} = 4.5 \, \text{A}\).
A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

Une batterie de 12 V a une résistance interne de 0.05 Ω. Quel est son courant de court-circuit (en A) ?


Outil Interactif : Caractéristique d'une Pile

Modifiez la force électromotrice (E) et la résistance interne (r) d'une pile pour observer comment sa caractéristique \(U = f(I)\) est modifiée.

Paramètres de la Pile
4.5 V
1.0 Ω
Résultats Clés
Tension à 200 mA (V) -
Courant de Court-Circuit (A) -

Le Saviez-Vous ?

La première pile électrique, la "pile voltaïque", a été inventée par Alessandro Volta en 1800. Elle était constituée d'un empilement de disques de cuivre et de zinc séparés par du carton imbibé d'eau salée. Il a démontré son invention à Napoléon Bonaparte à Paris, qui, impressionné, l'a fait comte et sénateur.


Foire Aux Questions (FAQ)

Dans quel sens circule le courant ?

Par convention, on dit que le courant électrique circule de la borne positive (+) vers la borne négative (-) du générateur à l'extérieur de celui-ci. En réalité, les porteurs de charge dans les métaux sont les électrons, qui sont négatifs et circulent donc en sens inverse, du - vers le +.

Pourquoi une pile "s'use" ?

Une pile est un dispositif électrochimique. Le courant est produit par des réactions chimiques qui consomment des réactifs. Quand les réactifs sont épuisés, la pile ne peut plus produire d'énergie. De plus, au cours de sa vie, des sous-produits se forment à l'intérieur, ce qui augmente sa résistance interne et la rend moins performante.


Quiz Final : Testez vos connaissances

1. La force électromotrice (f.é.m.) d'une pile représente...

2. Une pile A a une f.é.m. de 9V et une résistance interne de 2Ω. Une pile B a une f.é.m. de 9V et une résistance interne de 0.5Ω. Laquelle pourra fournir le plus fort courant ?


Force Électromotrice (E)
Tension maximale qu'un générateur peut fournir, mesurée à ses bornes lorsqu'il ne débite aucun courant (à vide). Unité : Volt (V).
Résistance Interne (r)
Résistance propre au générateur qui provoque une chute de tension interne et un échauffement lorsqu'il est traversé par un courant. Unité : Ohm (Ω).
Caractéristique d'un dipôle
Graphique représentant la tension U à ses bornes en fonction de l'intensité I qui le traverse.
Caractéristiques Électriques d’une Pile Plate

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