Baterias

A Pilha Voltaica

Uma pilha voltaica química é constituída por uma combinação de materiais usados para converter energia química em energia elétrica. A pilha ou célula química é formada por dois eletrodos de metais ou por compostos metálicos, diferentes, e um eletrólito, que é uma solução capaz de conduzir uma corrente elétrica. Forma-se uma bateria quando duas ou mais dessas células são conectadas. Um exemplo excelente de um par de eletrodos é o zinco e o cobre. O zinco contém uma abundância de átomos carregados negativamente, enquanto o cobre apresenta uma abundância de átomos carregados positivamente. Quando se imergem placas desses metais num eletrólito, tem início uma reação química entre eles. O eletrodo constituído pelo zinco acumula uma carga negativa muito maior, pois ele dissolve lentamente no eletrólito. Os átomos que saem do eletrodo de zinco estão carregados positivamente. São atraídos pelos íons (-) carregados negativamente do eletrólito, enquanto repelem os íons (+) carregados positivamente do eletrólito em direção ao eletrodo de cobre. Isto faz que elétrons sejam retirados do cobre, deixando-o com um excesso de carga positiva. Se uma carga, como, por exemplo, uma lâmpada, for ligada através dos terminais dos eletrodos, as forças de atração e repulsão farão com que os elétrons livres do eletrodo de zinco (negativo), dos fios condutores, e do filamento da lâmpada se desloquem em direção ao eletrodo de cobre carregado positivamente. A diferença de potencial resultante permite que a pilha funcione como uma fonte de tensão V. O eletrólito de uma pilha pode ser líquido ou uma pasta. Se o eletrólito for líquido, a pilha às vezes é chamada de pilha úmida. Se o eletrólito for na forma pastosa, a pilha é chamada de pilha seca.

Pilhas em Série e em Paralelo

Quando várias pilhas são ligadas em série, A tensão total através da bateria de células é igual à soma da tensão em cada uma das pilhas separadamente. As quatro pilhas de 1,5V em série fornecem uma tensão total para a bateria de 6V. Quando as pilhas são colocadas em série, o terminal positivo de uma pilha é ligado ao terminal negativo da pilha seguinte. A corrente que passa através de uma bateria formada por pilhas em série é a mesma que passa por uma única pilha, porque a mesma corrente passa por todas as pilhas em série. Para se obter uma corrente maior, a bateria é formada por pilhas em paralelo. Quando as pilhas são dispostas em paralelo, todos os terminais positivos são ligados juntos e todos os terminais negativos também são ligados ao mesmo ponto. Qualquer ponto do lado positivo pode ser considerado como um terminal positivo da bateria, bem como qualquer ponto do lado negativo pode ser o terminal negativo. A saída total de uma bateria formada por três pilhas em paralelo é a mesma que a de uma única pilha, mas a corrente disponível é o triplo da fornecida por uma única pilha. A associação em paralelo produz o mesmo efeito de se aumentar às dimensões dos eletrodos e a quantidade do eletrólito numa única pilha, o que aumenta a capacidade de produzir corrente. Se tivermos pilhas idênticas ligadas em paralelo, todas contribuirão igualmente para a corrente de carga. Por exemplo, no caso de três pilhas idênticas em paralelo produzindo uma corrente de carga de 270mA, cada pilha contribui com 90mA.

Pilhas Primárias e Secundárias

As pilhas primárias são aquelas que não podem ser recarregadas ou retornarem as condições originais de funcionamento depois da sua tensão de saída ter diminuído excessivamente. As pilhas secas usadas em lanternas e em rádios transistorizados são exemplos de pilhas primárias. As pilhas secundárias são aquelas recarregáveis. Durante a recarga, os produtos químicos que produzem a energia elétrica são restituídos às suas condições originais. A recarga é feita passando-se uma corrente contínua através da pilha no sentido oposto ao sentido da corrente que a pilha libera ao circuito. O exemplo mais comum de uma pilha secundária é a bateria que alimenta o sistema elétrico dos automóveis.

TIPOS DE BATERIAS

Bateria de chumbo-ácido

A bateria de chumbo-ácido é formada por um certo número de células de chumbo-ácido. Cada célula possui dois grupos de placas de chumbo; um conjunto é o terminal positivo e o outro é o terminal negativo. Todas as placas positivas estão ligadas juntas através de uma cinta conectora. Todas as placas negativas também são ligadas juntas de forma análoga. As placas positivas e negativas são intercaladas de modo que haja uma placa positiva e uma placa negativa alternadamente. Entre as placas encontram-se folhas de material isolante chamadas separadores, feitos ou de madeira porosa, madeira perfurada, ou de fibra de vidro. Os separadores impedem que as placas positivas e negativas se toquem e produza um curto-circuito, o que destruiria a bateria. A placa positiva é tratada quimicamente para formar peróxido de chumbo (uma combinação de chumbo e oxigênio), e o eletrodo negativo é feito de chumbo poroso e esponjoso. Os dois conjuntos de placas com os separadores entre elas são colocadas num recipiente contendo uma solução diluída de ácido sulfúrico e água. A denominação bateria chumbo-ácido se refere às placas de chumbo e ao ácido sulfúrico que são os principais componentes da bateria. A tensão nesse tipo de célula é ligeiramente superior a 2V. As baterias usadas nos carros modernos contêm seis células ligadas em série, de modo que a tensão de saída da bateria é ligeiramente maior que 12V. Esta bateria ou acumulador é capaz de fornecer corrente durante um tempo muito maior do que a média das pilhas secas.Quando a bateria esta descarregada e não pode mais fornecer a corrente necessária ao circuito, a bateria pode ser retirada do circuito e ser recarregada passando-se através dela uma corrente de sentido oposto. Quando a bateria se descarrega, parte do ácido do eletrólito se combina com o material ativo das placas. Esta reação química altera o material em ambas as placas tornando-o um sulfato de chumbo. Quando a bateria está sendo carregada pelo alternador / carregador, ocorre a reação inversa, e o ácido que foi absorvido pelas placas retorna ao eletrólito. Como resultado, o material ativo das placas volta à sua condição original. Toda vez que uma bateria estiver sendo carregada, a reação química produz gás hidrogênio na superfície de uma das placas e gás oxigênio na outra. Esses gases borbulham até a superfície e escapam através de um orifício que existe no revestimento da pilha. Com a saída desses gases, a bateria perde água, que precisa ser recolocada para se manter o nível adequado do eletrólito.

Pilha de zinco-carbono

Este é um dos tipos mais antigos e mais amplamente comercializados de pilha seca. O carbono, na forma de uma haste colocada no centro da pilha, é o terminal positivo. O invólucro da pilha é feito de zinco, que é o eletrodo negativo. Entre o eletrodo de carbono e o invólucro de zinco está o eletrólito formado por uma mistura química pastosa. A tensão numa pilha desse tipo é de cerca de 1,5V.

Pilha Alcalina

A pilha secundária alcalina é assim chamada por conter um eletrólito alcalino de hidróxido de potássio. O tipo de bateria conhecido pelo nome de bateria alcalina é formado por um eletrodo negativo de zinco e um eletrodo positivo de dióxido de manganês e gera 1,5V. A pilha primária alcalina tem uma construção semelhante à do tipo recarregável e apresenta a mesma tensão de funcionamento. Esta pilha tem uma vida útil mais longa do que a pilha zinco-carbono de mesmo tamanho.

Bateria de níquel-cádmio

Na pilha seca secundária de níquel-cadmio, o eletrólito é hidróxio de potássio, o eletrodo negativo é o hidróxio de níquel, e o eletrodo positivo é o óxido de cádmio. A tensão de funcionamento é de 1,25V. Estas baterias são fabricadas em diversos tamanhos, inclusive na forma de pastilhas. A bateria de níquel-cádmio é a única bateria seca que é realmente uma bateria acumuladora com reação química reversível e que permite que seja recarregada muitas vezes.

Pilha de Edson

A pilha de Edson, ou a pilha alcalina de níquel ferro é uma pilha secundária mais resistente e mais leve do que a pilha de chumbo-ácido. Ela funciona a uma tensão de 1,4V na ausência de carga. Quando a tensão cai para 1,0V, a pilha deve ser recarregada. Como no caso da pilha de chumbo-ácido, a pilha de Edson produz hidrogênio e oxigênio na forma de gases. Conseqüentemente, é necessário manter-se sempre correto o nível de eletrólito adicionando água destilada.

Bateria de Mercúrio

Há dois tipos diferentes de bateria de mercúrio. Um deles é uma bateria chata na forma de pastilha, enquanto o outro tipo é uma bateria cilíndrica que se parece com as pilhas convencionais. A vantagem da célula tipo pastilha é que várias delas podem ser empilhadas dentro de um recipiente para formar uma bateria. Uma bateria típica é formada por três células chatas. Uma única célula produz 1,35V. As pilhas e baterias de mercúrio têm uma boa vida útil e são muito resistentes. Pelo fato de produzirem uma tensão de saída constante sob diferentes condições de carga, elas são usadas em muitos produtos diferentes, incluindo relógios elétricos, aparelhos de surdez, instrumentos de testes e sistemas de alarmes.

CARACTERÍSTICAS DAS BATERIAS

Resistência Interna

Uma bateria é um gerador de tensão CC. Todos os geradores têm uma resistência interna, Ri. Numa pilha química, a resistência do eletrólito entre os eletrodos é responsável pela maior parte da resistência interna da pilha. Como qualquer corrente na bateria deve fluir através da resistência interna, Ri está em série com a tensão gerada Vb. Sem corrente, a queda de tensão através de Ri é zero, de modo que toda a tensão gerada, Vb, projeta-se dos terminais de saída. Esta é a tensão de circuito aberto, ou da tensão sem carga. Se for ligada uma resistência de carga RL através da bateria, RL deve estar em série com Ri. Quando passa por este circuito uma corrente IL, a queda de tensão interna, ILRi, diminui a tensão VL do terminal de bateria, de modo que VL=VB-ILRi.

Peso Específico

O peso específico de qualquer líquido por uma razão que compara o seu peso com o peso de igual volume de água. O ácido sulfúrico puro tem o peso específico de 1,835, pois ele pesa 1,835 vezes o peso da água por unidade de volume. O peso específico de uma solução eletrolítica numa pilha de chumbo-ácido varia de 1,210 a 1,300 para baterias novas e com carga máxima. Quanto mais alto o peso específico, menor a resistência interna de uma pilha e mais alta a corrente de carga permitida. À medida que a pilha se descarrega, a água formada dilui o ácido, e o peso específico diminui lentamente para cerca de 1,150; nesse limite se considera a pilha completamente descarregada. O peso específico é medido com um instrumento chamado densímetro.

Capacidade

A capacidade de uma bateria é dada em Ampéres-hora (Ah). A capacidade de uma bateria determina o tempo em que ela funcionará com uma dada taxa de descarga. Por exemplo, uma bateria de 90Ah deverá ser recarregada após 9h de funcionamento com uma descarga média de 10A.

Vida Sem Uso

A vida sem uso de uma bateria é o período durante o qual a bateria pode ser guardada sem perder mais que aproximadamente 10 por cento da sua capacidade original. A capacidade de uma bateria é a sua habilidade de liberar uma dada quantidade de corrente para o circuito ao qual esta ligada.