AL 2.1 - Características de uma pilha

 

Versão

Pretende-se efetuar uma atividade laboratorial que dê resposta à seguinte questão:

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.

 

Questões pré-laboratoriais

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?

Trabalho Laboratorial

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 k) ou caixas de resistências (cerca de 5 a 2,2 k).

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.

 

Questões pós-laboratoriais

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?


Questões Complementares

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.

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