Corsini Carine L2 Sciences et Culture La Pile

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1 Corsini Carine L2 Sciences et Culture La Pile Didactique des Sciences Mr F. Hébert 2015/2016 1

2 Sommaire Première partie : recherches autour de la pile 3 à 6 I. La pile 3 à 4 A. Son invention..3 B. La pile Daniell.3 à 4 C. Composition d une pile moderne..4 II. Les différentes piles 5 à 6 A. Piles Salines.5 B. Piles Alcalines.5 C. Piles Lithium 5 D. Piles Bouton 5 E. Piles à Hydrogène.6 F. Piles rechargeables.6 G. Batteries 6 Deuxième partie : expériences autour de la pile. 7 à 12 - Objectifs 7 - Allumer une ampoule avec une pile plate.8 - Construire une batterie avec des piles 8 - Expérience «Horloge pommes terre» Expérience «Pile citron» 10 - Fiches élèves.11 à 12 Troisième partie : bilan des expériences 13 Sources.14 2

3 Première partie : recherches autour de la pile I. La pile A. Son invention La première pile est inventée en 1799 par Alessandro Volta physicien italien du 17éme siècle, appelée pile voltaïque. La pile voltaïque est un empilement de disques de zinc et de cuivre séparés par un tissu imbibé de saumure (eau salée). La première pile été composée de 600 disque et mesurait 1m50. Le tissu imbibé d eau salée sert de conducteur de courant, il est aujourd hui remplacé par le liquide Alcalin. L électricité est donc formée par le zinc et le cuivre, en contact avec le tissu imbibé d eau salée. Le zinc est la borne négative tandis que le cuivre est la borne positive. «L'oxydation d'un atome de zinc, selon la réaction Zn Zn e - produit deux électrons qui vont transiter dans le circuit électrique, pour atteindre le disque de cuivre. Les électrons vont alors rencontrer deux molécules d'eau, et une autre réaction de réduction va se produire, selon la réaction 2 H2O + 2 e - 2 HO - + H2. On constate ainsi que le disque de zinc est petit à petit consommé et qu'il y a production d'hydrogène.» source internet B. Pile Daniell Inventée par le chimiste britannique John Daniell en C est une pile électrique composée d une lame de zinc plongée dans une solution contenant du sulfate de zinc et d une lame de cuivre plongée dans une solution contenant du sulfate de cuivre les deux reliées par un pont salin permettant le passage des ions pour conserver l électro neutralité. «D après les potentiels respectifs de chaque couple rédox : E Cu 2+ /Cu = 0.34 V et E Zn 2+ /Zn = V, il va y avoir oxydation du zinc (dissolution du zinc métallique) et dépôt de cuivre. Cu e - Cu Z n Zn e - Cu 2+ + Zn Cu + Zn 2+ D après les potentiels standards, le zinc va s oxyder : la plaque de Zn sera donc l anode. Le Cuivre va se réduire (dépôt de cuivre), la plaque de cuivre sera la cathode. 3

4 Les potentiels dans chacune des demi-piles s écrivent : Equation de Nernst Par convention, une pile est représenté comme ci-dessous : Zn 2+ Zn Cu 2+ Cu Le pôle + est toujours placé à droite et le pôle - à gauche Application numérique : [Cu 2+ ] = 0.1 mol/ [Zn 2+ ] = 0.1 mol/l E Cu 2+ /Cu = 0.34 V E Zn 2+ /Zn = V On obtient : E = 1.1 V» source internet C. Composition d une pile moderne Une pile est une réserve d'énergie transportable. Elle fabrique de l'électricité à partir d'une réaction chimique mettant en présence deux métaux différents plongés dans une solution conductrice. Ces deux métaux, appelés électrodes, constituent les pôles de la pile. Lorsqu'on branche la pile sur un appareil consommateur d'électricité, la solution conductrice (l'électrolyte) agit sur l'électrode négative (l'anode) qui cède des électrons. L'électrode positive (la cathode) capte les électrons. Le courant électrique consiste en la circulation de ces électrons! Toutes les piles possèdent: - Un pôle positif (la cathode) - Un pôle négatif (l'anode) - Un électrolyte conducteur - Une enveloppe métallique constituée de papier ou de plastique 4

5 II. Les différentes piles Les piles peuvent se présenter sous différentes formes et différentes tailles : les piles plates, les piles rondes, les piles boutons, les piles rechargeables. Et aussi différents constituants : A. Piles Salines Aussi appelés Leclanché, nom du créateur physicien français Georges Leclanché. Cette pile est la première pile dite moderne et qui est encore utilisée aujourd hui. Elles sont de préférence utilisées dans les appareils qui ne consomment pas beaucoup de courant. Elles sont composées de : une tige de carbone au milieu, une solution saline et une électrode extérieure en zinc. Le carbone est entouré d'un dépolarisateur (le dioxyde de manganèse) pour capter l'hydrogène qui se libère à la surface du carbone. On utilise le terme «pile saline» car l électrolyte utilisé est une solution concentrée de sel (chlorure d ammonium et de zinc). Elles fournissent une tension de 1,5V et une capacité de 1000mAH, leur durée d utilisation est limitée. B. Piles Alcalines Sa tige en Zinc et son boitier en acier inoxydable la différencie de la pile saline. En effet le zinc placé au centre permet d être consommé totalement ce qui lui offre une capacité plus importante de 2500mAH. Les piles ne fuient plus garce a l acier inoxydable ce qui a permit de remplacer la solution saline par une solution alcaline qui est meilleure conductrice. Elles ont une durée de vie nettement supérieure, par de meilleures performances et une plus grande résistance. C. Piles Lithium Elle est composée de lithium-disulfide de fer. Sa tension est identique à celle des piles classiques (1,5V). Elle se différencie par sa capacité à fournir un courant extrêmement important. Sa durée de stockage est de 8 ans, comparé à 1 ans pour les piles classiques, quand elles ne sont pas utilisées. Sa décharge est très faible si on l utilise dans des appareils de basse consommation. D. Piles boutons Petites piles en forme de disque. Elles délivrent un courant faible mais sur une longue durée. Tension de 1,5 à 3V. On en trouve de différentes sortes, soit alcaline, soit lithium manganèse. 5

6 E. Piles à Hydrogène Aussi appelée pile a combustible, elle fonctionne en exploitant la transformation chimique entre le dioxygène et le dihydrogène ce qui produit simultanément de l électricité, de l eau et de la chaleur. F. Piles rechargeables Aussi appelée accumulateurs électriques, leur durée de vie est nettement supérieure aux piles standard. Elles utilisent trois technologies différentes : - les piles Nickel Cadmium ou Ni-Cd - les piles Nickel Métal Hydrure ou NI-MH - Les piles Lithium-Ion ou Li-Ion La réaction électrochimique des électrodes permet de délivrer l énergie électrique dans chacun des cas. Par rapport au Ni-MH, le Ni-Cd peut supporter des pointes de courant en décharge plus importantes mais sa décharge naturelle est plus rapide. Elles peuvent être rechargées des centaines de fois ce qui offre une alternative écologique aux piles jetables. G. Batteries Aussi appelé batterie d accumulateurs, est un ensemble d accumulateurs électriques reliées entre eux de façon à créer un générateur électrique avec une tension et une capacité changeante en fonction du choix voulut. «Lorsqu une pile produit du courant électrique il se produit une transformation chimique entre les composés chimiques qui la constituent. Les réactifs disparaissent alors peu à peu et lorsque l un d entre eux a été entièrement consommé, la transformation ne peu plus se produire, la pile ne peut alors plus produire de courant électrique et on dit qu elle est déchargée.» 6

7 Deuxième partie : expériences autour de la pile Objectifs : - Développer une démarche scientifique - Développer un travail de groupe - Emettre des hypothèses - Définir les différents matériaux - Comprendre le fonctionnement d une pile - Construire une batterie - Allumer une ampoule avec une pile - Créer une pile avec des pommes de terre - Créer une pile avec des citrons 7

8 Allumer une ampoule avec une pile plate Objectif : - Découvrir qu il y a des endroits précis sur l ampoule et sur la douille qui doivent être en contact avec les bornes de la pile Matériel : - Ampoule à faible tension - Douille - Pile plate Déroulement : - Laisser l enfant manipuler le matériel pour découvrir eux même les points de contact - Leur faire faire un schéma de l expérience - Leur expliquer la notion de pôle +, pôle et de circuit fermé Construire une batterie avec des piles Objectif : Matériel : - utiliser les compétences apprises dans l expérience précédente (pôle +, pôle - ; connexion circuit fermé) - Des piles - Du fil électrique - Du ruban adhésif - Un appareil de basse consommation Déroulement : Laisser l enfant manipuler et émettre des hypothèse, puis expliquer le déroulement de l expérience. - Relier trois piles entre elles a l aide du ruban adhésif - Relier un pôle + à un pôle avec le file électrique - Relier le pôle de la pile utiliser avec le pôle + de la pile non connectée avec le fil électrique - Connecter l assemblage a un appareil de basse consommation 8

9 Expérience «Horloge pommes de terre» Matériel : - Deux pommes de terre - Deux languettes de cuivre (ou pièce de 5centimes) - Deux languettes de magnésium (ou deux vis en zinc) - Du fil électrique - Une Horloge - Du ruban adhésif Expérience : 1. Relier une languette de magnésium et une languette de cuivre avec du fil électrique, couvrir de ruban adhésif la connexion entre les languettes et le fil 2. Relier le fil noir de l horloge à une languette de magnésium et le fil rouge de l horloge à une languette de cuivre, les couvrir de ruban adhésif 3. Planter les languettes dans les pommes de terres comme dans le montage si dessous : Réglage de l heure et de la date : 1. Appuyer une seule fois sur A et les deux points au centre commencent à clignoter. 2. Appuyer sur B pour basculer entre le mois/le jour/ l heure/ la minute. 3. Appuyer sur A pour sélectionner le mois/ le jour/ l heure/ la minute. 4. Appuyer sur B pour confirmer la sélection. Ensuite continuer 5. Appuyer sur A lorsque l heure et la date sont réglées et l heure s affiche. 9

10 Expérience «Pile Citron» Matériel : - Deux citrons - Quatre pièces de 5 centimes (ou languettes de cuivres) - Quatre vis en zinc (ou languettes de cuivre ou magnésium) - Du fil électrique - Une LED - Du ruban adhésif Expérience : 1. Faire rouler les citrons un par un en appuyant dessus avec votre main, les faire rouler jusqu'à sentir les citrons devenir un peu mous, le but étant de libérer le jus à l'intérieur du fruit. 2. Couper chaque citron en deux. 3. Connecter une pièce de cuivre (ou languette) avec une vis en zinc (ou languette) à l aide du fil électrique, couvrir de ruban adhésif la connexion entre les languettes et le fil. Répéter l opération avec deux autres pièces. 4. Connecter la dernière languette de cuivre et celle de zinc a la LED. 5. Planter chaque languette dans les citrons en réalisant le montage ci dessous : 10

11 Fiches élèves La pile En 1799 Alessandro Volta invente la pile électrique (stockage de l électricité). Une pile est une réserve d'énergie transportable. Elle fabrique de l'électricité à partir d'une réaction chimique mettant en présence deux métaux différents plongés dans une solution conductrice. Ces deux métaux, appelés électrodes, constituent les pôles de la pile. Lorsqu'on branche la pile sur un appareil consommateur d'électricité, la solution conductrice (l'électrolyte) agit sur l'électrode négative (l'anode) qui cède des électrons. L'électrode positive (la cathode) capte les électrons. Le courant électrique consiste en la circulation de ces électrons! Toutes les piles possèdent: - Un pôle positif (la cathode) - Un pôle négatif (l'anode) - Un électrolyte conducteur - Une enveloppe métallique constituée de papier ou de plastique Une pile électrique est un dispositif qui transforme de l énergie chimique en énergie électrique grâce à des réactions chimiques. Une batterie de piles est constituée de plusieurs éléments de piles électriques assemblés entre eux. Une pile n'est utilisable qu'une seule fois, elle n'est pas rechargeable car elle ne permet pas de transformer l'énergie électrique en énergie chimique batterie (accumulatrice). 11

12 Récapitulatif Placer les composants aux bons endroits : liquide conducteur (bioxyde de manganèse) ; container acier ; pôle négatif ; zinc en poudre ; tige de cuivre ; pôle positif. Expérience «Pile citron» comment sa marche? Au moment du branchement final, il y a un mouvement d'ensemble de toutes petites particules que l'on appelle les électrons qui se déplacent dans le fil électrique en cuivre. Mais pour que ces électrons circulent, il faut impérativement que le circuit soit fermé. Dans la pile, la partie " zinc-jus du citron " produit des électrons et l'autre partie " cuivre-jus de citron " prend ces électrons. A l'intérieur du citron, le jus permet le transport d'électrons autrement dit de charges électriques dont la circulation constitue le courant électrique. Dans ce montage, vous avez mis 2 piles bout à bout (en série) pour obtenir une " force suffisante " pour que la LED marche. Expérience «Horloge pomme de terre» comment sa marche? Les plaques métalliques et les pommes de terre constituent une batterie qui produit de l'électricité nécessaire au fonctionnement de l'horloge. Chaque pomme de terre fonctionne comme un dispositif appelé "cellule électrochimique". Elle convertit l'énergie chimique stockée dans les plaques métalliques en énergie électrique. Deux pommes de terre sont nécessaires pour produire une énergie électrique suffisante et alimenter l'horloge. Une pile fonctionne grâce aux propriétés chimiques des métaux (zinc/magnésium et cuivre). Leurs différentes propriétés entraînent le déplacement de très petites particules chargées d'électricité (appelées ions) entre les deux plaques métalliques. Ce flux constitue un courant électrique. La pomme de terre contient les particules qui permettent au courant de passer, mais il s'interrompt quand les métaux se touchent. Le courant électrique passe ainsi le long des câbles entre les plaques de zinc et de cuivre ainsi que l'horloge. 12

13 Bilan des expériences Le bilan est plutôt positif, toutes les expériences ont fonctionné. Les expériences n ont pas étaient fait avec de «vrais enfants» je ne peux donc pas juger de la véracité de leurs bons fonctionnements. Avec les enfants il faut prendre compte un certain nombre de critères changeant : - l attention - le temps - le niveau d intérêt - les connaissances - la manipulation - le danger de certains matériaux comme les ciseaux ou les vis - le travail de groupe ou individuel L enfant va découvrir le sujet que je lui présente, il va donc lui falloir du temps pour assimiler toutes les informations qui lui sont données, contrairement à mes camarades de classe. La manipulation du matériel peut lui paraître compliquée voire dangereuse. Dans l expérience de la pile citron par exemple, la manipulation est assez délicate de plus tout doit être parfaitement connecté pour que sa fonctionne, les enfants seraient déçus de ne pas voir la LED s allumer. Il faudrait donc que je réévalue mes expériences en fonction du niveau et de la classe de l élève, les étaler sur plusieurs séances pour leur laisser le temps de bien assimiler chaque information et pour leur laisser plus de temps lors de la manipulation. 13

14 Sources