Como vimos anteriormente, todos os aparelhos eletromagnéticos necessitam de um campo elétrico para gerar uma corrente que, ao fluir pelo equipamento, o faz funcionar. Portanto, criar um campo elétrico de forma estável, controlada e segura é fundamental para a utilização de nossos equipamentos elétricos.
Há duas formas de se criar um campo elétrico. A primeira delas é obtendo cargas elétricas ou, de forma mais precisa, separando espacialmente cargas elétricas negativas de cargas positivas. Como mencionado anteriormente, não sentimos a força elétrica com toda a sua intensidade, porque toda a matéria que nos envolve é neutra, ou seja, para cada carga positiva existe uma carga negativa, e ambas andam quase sempre juntas, formando átomos e moléculas. Mas, se conseguirmos separar essas cargas, criamos um campo elétrico. Este é o processo utilizado em pilhas e baterias.
A segunda forma é através de uma variação de campo magnético. Sabemos hoje que, se aproximarmos um ímã de um condutor, uma corrente elétrica é induzida. Esta corrente responde a um campo elétrico, que foi criado pela variação do campo magnético na região onde o condutor se encontra, ou seja, a variação da intensidade do campo magnético cria um campo elétrico que, por sua vez, pode gerar corrente elétrica. Este é o princípio que está por trás dos alternadores, dínamos e motores elétricos.
Mas, além de gerar campos elétricos, estes campos devem ser “transportados” de forma segura até chegar a nós, seja por meio de baterias que colocamos em nossos carros, pilhas que usamos em nossos controles remotos ou pela rede elétrica até nossas tomadas. No Brasil, a maior parte da nossa matriz elétrica vem de usinas hidrelétricas, mas também temos alguma participação de usinas nucleares e termelétricas. Mas é importante ressaltar que, em última instância, estamos sempre tentando produzir um campo elétrico de forma controlada.
Neste tópico, abordaremos como gerar energia elétrica por todos estes diferentes dispositivos, e quais as vantagens e desvantagens de cada um deles.
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Uma forma de produzir os elétrons necessários para gerar uma corrente elétrica é através de reações químicas. Alguns elementos químicos tendem a ceder e outros a receber elétrons. Organizando adequadamente estes elementos, podemos produzir um dispositivo que tenha certa capacidade de ceder elétrons ao ser ligado a um equipamento. A este dispositivo damos o nome de pilha.
Historicamente uma das primeiras pilhas concebidas, a pilha de Daniell, utiliza placas de zinco e cobre embebidas em soluções de Sulfato de Zinco e Sulfato de Cobre, respectivamente, para produzir corrente elétrica. O zinco da placa fornece dois elétrons, deixando-a carregada positivamente. Os elétrons podem, então, ser conduzidos para a placa de cobre, onde são absorvidos por íons positivos presentes na solução. Mais detalhes podem ser vistos na página da efisica ou na página do programa Educ@r, da USP-São Carlos (aqui e aqui).
Zinco e cobre são apenas dois exemplos de elementos que podem produzir pilhas. Os detalhes da reação variam de pilha para pilha, mas todas elas são fornecedoras de elétrons via reações químicas. Como exemplos da grande variedade de elementos químicos que podemos utilizar para compor uma pilha, podemos enumerar:
- zinco e carvão: as pilhas mais comuns, como, por exemplo, as “Amarelinhas“
- zinco e manganês: pilhas alcalinas, como, por exemplo a Duracell
- lítio: baterias de máquinas fotográficas e notebooks
- NiMH (Níquel-Hidreto Metálico): pilhas e baterias recarregáveis
E, se você não tiver à mão nenhuma dessas opções, que tal utilizar um limão como pilha?
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A grande maioria das pilhas fornece voltagem de 1,5 Volts entre seus polos, como pode ser visto nos detalhes técnicos dos fabricantes (uma exceção é a pilha de 9 Volts, de formato retangular). Então, qual a diferença entre as pilhas palito (AAA), pequena (AA), média e grande, se todas fornecem a mesma voltagem?
Quando falamos nas ligações de circuitos residenciais, mencionamos o conceito de ligação em paralelo e ligação em série. Na ocasião, estávamos preocupados com a composição de dispositivos eletrônicos a uma única fonte de voltagem.
Aqui a situação é inversa. Podemos compor pilhas de diferentes formas para fornecer uma diferença de voltagem a um único dispositivo. Mas a questão se mantém: “Devemos montar as pilhas em série, com o polo negativo de uma pilha se unindo ao polo positivo da seguinte, ou em paralelo, com o polo negativo de todas as pilhas ligadas diretamente à entrada do dispositivo, e os polos positivos ligados simultaneamente à saída?
Na grande maioria dos dispositivos que usam mais de uma pilha, a ligação é em série. Com isso, as voltagens das pilhas se somam, produzindo uma diferença de voltagem maior. É fácil verificar esta montagem, observando atentamente o compartimento de pilhas dos dispositivos.
O fato de que, geralmente, as pilhas vizinhas em um compartimento são encaixadas de modo invertido já é um indício de que a ligação é feita em série. Dessa forma, quatro pilhas de 1,5 Volts ligadas em série fornecem voltagem final de 6 Volt. Uma analogia possível seria pensar em uma escada. Cada pilha é um degrau de uma escada, aumentando a energia potencial elétrica que pode ser convertida em corrente.
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A ligação em paralelo de pilhas, ao contrário da ligação em série, dificilmente será encontrada em dispositivos residenciais. Neste caso, a diferença de potencial continuaria a mesma, porém, com este tipo de ligação, aumentamos a capacidade de fornecer corrente. Aqui, entra outro detalhe técnico das pilhas, além da voltagem. Cada pilha é caracterizada por sua capacidade de manter uma corrente por certo período de tempo. Este dado é fornecido pelas pilhas em Ampère-hora, o que caracteriza a capacidade de fornecer uma corrente (medida em Ampères) por certo tempo (hora).
As pilhas palito ou AAA, em geral, possuem capacidade de 900 mA.h, ou seja, poderiam fornecer uma corrente de 0,9 Ampères por uma hora antes de descarregar completamente. É claro que a corrente utilizada é muito menor, e portanto o tempo de vida útil da pilha cresce proporcionalmente. A ligação em série de pilhas pode aumentar esta capacidade de fornecer corrente. Voltando à analogia da escada, neste caso, não estamos aumentando a altura da escada, mas, ao colocarmos duas escadas idênticas lado a lado, estamos aumentando a largura dos seus degraus. Dessa forma, podemos fornecer a mesma corrente final, dividindo a descarga nas várias pilhas que formam essa ligação.
Se ligarmos três pilhas palito AAA, cada uma com 900 mA.h de capacidade, estaremos produzindo uma diferença de potencial de 1,5 V, mas com uma capacidade de 2.700 mA.h. Ou seja, estaremos reproduzindo as características de uma pilha AA, que também fornece diferença de potencial de 1,5 V, mas com capacidade em torno de 2.800 mA.h. Portanto, uma pilha grande corresponde à ligação em paralelo de pilhas pequenas. Esta é uma das razões para não encontrarmos ligações em paralelo de pilhas. É mais simples escolher uma única pilha de tamanho adequado do que montar uma ligação em paralelo de pilhas.
Uma ligação em série amplia a diferença de potencial entre seus polos, mas não aumenta a capacidade de fornecer corrente, enquanto uma ligação em paralelo eleva a capacidade de fornecer corrente, sem aumentar a diferença de potencial. Você entende o porquê? Procure inspiração nesta simulação de uma pilha em funcionamento, onde os portadores de carga podem ser “vistos”. Por que as pilhas têm uma capacidade limitada?
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Além de usar somente uma pilha de capacidade maior, há outros motivos para não fazermos uma ligação em paralelo de pilhas. A voltagem nominal oferecida por uma pilha muda um pouco durante seu consumo, diminuindo à medida que é utilizada. Portanto, duas pilhas diferentes podem não oferecer uma mesma voltagem.
Como consequência, se ligarmos duas pilhas em paralelo, pode acontecer de aquela que oferece uma voltagem maior tentar jogar corrente em outra de voltagem menor. E isso não é desejável, especialmente se não estivermos falando de pilhas recarregáveis. Mas há um caso em que isso é exatamente o que precisamos.
Uma bateria de carro fornece uma diferença de potencial de 12 Volts, e é recarregada pelo motor do carro em funcionamento. Porém, a bateria pode descarregar e não conseguir fornecer a energia necessária para a ignição do carro. O que fazemos neste caso? A famosa “chupeta“, que consiste em ligar, em paralelo, a bateria sem carga a outra carregada. Esta bateria, além de fornecer energia ao carro, vai recarregar a outra que não estava funcionando, até que a diferença de potencial de 12 Volts seja restabelecida.
Então, a próxima vez que você precisar fazer uma “chupeta” e ficar na dúvida em como conectar os polos das baterias dos veículos, lembre-se do tipo de ligação que estamos fazendo, ou seja, em paralelo, na qual temos as conexões polo positivo/polo positivo e polo negativo/polo negativo.
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Uma bateria de carro fornece diferença de potencial de 12 Volts, e possui capacidade de 40 Ampère-hora. Supondo que temos um estoque ilimitado de pilhas do tamanho AA (1,2 Volts e 2.500 mA.h), marque a alternativa correta.
a) Uma ligação em série de dez pilhas reproduziria a voltagem da bateria, mas é impossível reproduzir a capacidade da bateria com associação de pilhas.
b) Uma ligação em paralelo de 16 pilhas forneceria a capacidade da bateria, mas é impossível reproduzir a diferença de potencial (ddp) da bateria.
c) Uma ligação em paralelo de 16 pilhas reproduziria a capacidade da bateria. Ligando em série dez módulos de 16 pilhas ligadas em paralelo, obtemos também a ddp da bateria.
d) Uma ligação em série de 16 pilhas reproduziria a capacidade da bateria. Ligando em paralelo dez módulos de 16 pilhas ligadas em série, obtemos também a ddp da bateria.
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Gerar energia elétrica com pilhas e baterias é muito útil, principalmente pela praticidade de se levar pilhas e baterias por aí. Porém, as desvantagens também existem. Listamos duas destas desvantagens aqui.
A primeira desvantagem se refere à potência elétrica gerada. Quando mencionamos pilhas e baterias, estamos sempre falando de um uso de objetos que não consomem muita corrente, e por pouco tempo de uso, tipicamente algumas horas. Então, é claro que o uso constante para alimentar, por exemplo, todos os eletrodomésticos de uma casa é absolutamente inviável. Fazer a conta de quantas pilhas seriam necessárias para alimentar uma casa dá a ideia do problema.
Outro problema é o descarte das pilhas e baterias velhas. Os processos químicos usados envolvem geralmente metais que podem ser bastante nocivos ao meio ambiente, contaminando plantas e animais, lençóis freáticos e, eventualmente, seres humanos.
O Conselho Nacional do Meio Ambiente (Conama), órgão ligado ao Ministério do Meio Ambiente, regula o descarte adequado de pilhas e baterias. Em sua resolução 401/2008 estabelece a obrigatoriedade do recolhimento de pilhas e baterias que contenham chumbo, cádmio e mercúrio.
Um material bastante completo sobre o uso correto de pilhas e baterias pode ser encontrado aqui.
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A seguir, estão discriminados os sites nos quais foram obtidos os materiais de apoio apresentados neste módulo.
- Rayovac (descrição de pilha e detalhes técnicos)
- Duracell (descrição de pilha)
