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AL 2.1 - Características de uma pilha
Quais são os valores das grandezas características de uma pilha?
No estudo da curva característica da pilha, é normal usar resistências elétricas baixas, o que origina correntes altas. Nesta situação, a pilha irá descarregar-se mais depressa e os valores obtidos podem afastar-se de uma relação linear. Por isso, é conveniente usar um interruptor e o circuito só deve ser ligado durante o intervalo de tempo em que se efetuarem medidas.
Um bom interruptor para este efeito é um interruptor de pressão, mas deve largar-se o botão após se registar a corrente e a diferença de potencial elétrico. Como a recolha de valores deve agilizar-se, os aparelhos digitais facilitam as leituras e tornam o processo mais rápido, indo ao encontro do pretendido.
A justificação apresentada pelos alunos para os «gastos» da pilha deve passar pela análise da dissipação de energia pelo efeito Joule. A argumentação suficiente deve referir que para uma diminuição da resistência externa, a corrente eléctrica aumenta; e que para a potência dissipada, o aumento é ainda maior, dado que na expressão da potência a corrente aparece ao quadrado.
1. Uma pilha é um gerador de tensão contínua. Este gerador diz-se eletroquímico pois o movimento orientado de iões que nele ocorre tem origem em reações químicas.
A primeira pilha foi inventada pelo italiano Alessandro Volta no final do século XVIII. Construiu uma célula eletroquímica formada por dois metais diferentes (zinco e cobre), chamados elétrodos, em contacto com uma solução boa condutora, chamada eletrólito (por exemplo, uma solução ligeiramente ácida) . Esta célula permitia obter uma pequena diferença de potencial elétrico, pelo que Volta associou várias células em série, para obter uma diferença de potencial maior. O conjunto destas células assim «empilhadas» passou a ser designado por pilha. A corrente elétrica numa pilha termina quando cessam as reações químicas que a produzem (diz-se que a pilha «descarrega»). Atualmente há diversos tipos de pilhas com os mais variados elétrodos e eletrólito.
Dê exemplos de elétrodos e de soluções que possam ser eletrólitos.
2. Que grandezas físicas caracterizam uma pilha? Indique o seu significado físico.
3. Considere um circuito com um gerador e um condutor puramente resistivo de resistência R variável.
a) Como poderia, a partir de uma medição direta, medir a força eletromotriz da pilha? Justifique esse procedimento.
b) Qual é a expressão da diferença de potencial fornecida pelo gerador em função de grandezas elétricas do circuito?
c) Esboce a curva característica da pilha, isto é, o gráfico da função U (I).
d) Para obter a curva característica da pilha é necessário fazer variar a corrente. Varia-se assim, também, a diferença de potencial nos terminais da pilha. Para tal deve haver uma resistência variável no circuito.
Que dispositivos existem que permitem a variação da resistência num circuito?
Pilhas de 9 V (algumas novas e outras com algum uso), amperímetro, voltímetro, fios de ligação, interruptor, crocodilos/bananas, reóstato (ou potenciómetro de 0-1 kΩ) ou caixas de resistências (cerca de 5 Ω a 2,2 kΩ).
Alguns grupos de alunos devem utilizar pilhas novas e os outros grupos pilhas usadas de modo a poderem comparar as características das pilhas novas e usadas.
1. Observe o esquema da Fig.
a) Identifique o tipo de associação para o amperímetro e o para o voltímetro.
b) Que diferença de potencial está a medir o voltímetro?
c) Monte o circuito de acordo com o esquema.
Para as ligações dos multímetros digitais (voltímetros e amperímetros) devem ter-se em conta as seguintes precauções:
• Usar um multímetro com escala de voltímetro e outro com escala de amperímetro.
• Selecionar a escala de corrente contínua nos dois aparelhos (CC, DC ou -).
• Selecionar escalas adequadas. O alcance da escala do voltímetro deve ser superior à tensão que pretendemos medir (neste caso superior a 9 V).
Para o amperímetro, escolher a escala máxima; se não se conseguir fazer leituras, vai-se selecionando uma escala com alcance cada vez menor, até se encontrar uma que permita uma leitura adequada. Os amperímetros são muito sensíveis e são normalmente protegidos por fusíveis, que se queimam se os valores de corrente ultrapassarem os da escala. Muitos têm uma escala de 0-200 mA ou menor (as quais têm proteção com fusível) e uma outra 0-10 A (sem proteção). A seleção das escalas dos multímetros deve ser feita com o circuito desligado, para evitar danos ou a queima do fusível. Deve executar estes procedimentos ligando e desligando o interruptor.
• Ligar os terminais do voltímetro e do amperímetro respeitando as indicações de polaridade: os polos positivo e negativo dos aparelhos são ligados respetivamente aos polos positivo e negativo da pilha (o terminal negativo do aparelho é identificado por 0 ou COM). Se a polaridade não for respeitada, aparecerá o sinal negativo nos multímetros digitais, mas se os aparelhos forem analógicos podem ficar danificados.
2. A variação da resistência do circuito deve ser controlada, pois se as correntes forem inicialmente muito grandes a pilha descarregar-se-á facilmente.
Na execução laboratorial devemos partir de resistências pequenas e ir aumentando o seu valor ou fazer ao contrário?
3. Registe numa tabela os valores de U e I, em unidades SI, indicando as respetivas incertezas de leitura dos aparelhos de medida.
4. Varie a resistência do circuito e adquira, pelo menos, um conjunto de sete dados experimentais.
1. A partir da tabela de dados experimentais, desenhe o gráfico U (I).
O gráfico obtido está de acordo com a previsão teórica?
2. Determine a reta de ajuste aos dados experimentais e obtenha, a partir da sua equação, a resistência interna e a força eletromotriz da pilha.
3. Compare o valor da força eletromotriz obtido com o valor da medição direta. São muito diferentes? Como explica essa diferença?
4. Compare os resultados obtidos com pilhas novas e pilhas usadas. Tire conclusões.
5. Em que condições a pilha transfere mais rapidamente energia para o circuito, quando a resistência no circuito é grande ou pequena? Justifique.
6. Observe a figura seguinte: é possível acender um LED com limões, mas o mesmo poderá não acontecer com uma lâmpada de fio de tungsténio. Qual será a razão?
1. Indique um processo de medir diretamente a força eletromotriz de uma pilha.
2. Os gráficos seguintes apresentam curvas características de quatro fontes de tensão, X, Y, Z e W. Os gráficos estão com a mesma escala.
a) Selecione a opção que contém a alternativa correta.
(A) As fontes X e W têm forças eletromotrizes iguais.
(B) A fonte Y é a de maior força eletromotriz e, por isso, tem menor resistência interna.
(C) As fontes X e Y têm iguais forças eletromotrizes.
(D) As fontes X e W têm resistências internas iguais.
b) Comente a afirmação «não é possível encontrar-se no laboratório uma fonte com a curva característica Z».
3. Numa aula, fez-se o estudo experimental da curva característica de uma pilha. A figura mostra o equipamento usado.
a) Indique os nomes dos equipamentos A, B, C, D e E.
b) Desenhe o esquema do circuito que deve ser montado com aquele equipamento para se obter o pretendido.
c) Os valores que se registaram na referida aula colocaram-se na tabela.
(i) Elabore o gráfico de pontos da curva característica da pilha.
(ii) Encontre a reta de ajuste aos pontos do gráfico e, a partir da equação obtida, indique quais são as grandezas que caracterizam aquela pilha.
(iii) A partir do valor indicado na figura e dos valores encon­trados na alínea anterior, conclua, justificando, se a pilha é nova ou se já teve uso significativo.