Como funciona as pilhas e baterias (ART094)

Usadas em uma infinidade de aparelhos elétricos e eletrônicos as pilhas e baterias consistem numa importante forma de fonte de fonte de energia. No entanto, se estamos acostumados e comprar qualquer pilha ou bateria para nossos aparelhos, sem observar suas características, podemos estar cometendo alguns erros que afetam o desempenho desses aparelhos e também nosso bolso. Uma pilha ou bateria mal escolhida prejudica o aparelho e dura menos, forçando-os a gastar mais. Como funcionam pilhas e baterias e como fazer a escolha certa é o que veremos neste artigo.

As pilhas consistem em fontes químicas de energia elétrica, ou seja, dispositivos que convertem energia liberada numa reação química em energia elétrica.

O nome "pilha" vem do primeiro dispositivo desse tipo que foi inventado po Alessandro Volta em 1800.

O pesquisador italiano fez um empilhamento de discos de cobre e zinco tendo entre eles discos de tecido embebidos numa solução de ácido sulfúrico, conforme mostra a figura 1.

 

A pilha de Volta.
A pilha de Volta.

 

Entre cada par de discos era possível obter uma tensão de 0,75 volts. Assim, com muitos discos, as tensões se somavam e uma boa tensão era obtida dessa primeira pilha elétrica.

A pilha de Volta teve vários aperfeiçoamentos atribuídos a cientistas como Zamboni, De Luc, Einhof, Ritter, Hachette isso no período entre 1800 e 1812.

No entanto, o aperfeiçoamento maior desta pilha ocorreu somente em 1868 quando Georges Léclanché, um pesquisador francês, chegou a uma configuração que até hoje é usada com poucas modificações para fornecer energia para nossos aparelhos.

 

A PILHA SECA

Trata-se da "pilha seca" que tem a configuração mostrada na figura 2.

 

A pilha seca ou pilha comum.
A pilha seca ou pilha comum.

 

Nesta pilha o eletrodo ou pólo negativo consiste num "copo" de 99,99% de zinco. O pólo positivo é formado por um bastão de carbono.

A solução química ou eletrólito que vai reagir com o zinco para liberar a energia elétrica é formado por uma mistura de cloreto de amônia, dióxido de manganês, cloreto de zinco e algumas outras substâncias estabilizadoras que foram acrescentadas com o tempo e que dependem do fabricante da pilha.

Quando essa pilha "funciona" o eletrólito ataca o zinco liberando energia elétrica que se manifesta numa tensão da ordem de 1,5 V entre seus pólos.

Ocorre, entretanto que o zinco vai se gastando assim como o eletrólito até chegar um ponto em que ele pode furar. As pilhas modernas são protegidas por capas de aço e papelão, mas até elas podem "furar" ocorrendo então o vazamento das pilhas com perigo para os componentes do aparelho alimentado.

Outro problema a ser considerado é que, durante as reações que ocorrem no interior da pilha, é liberado hidrogênio que não deve ficar acumulado. Se esse hidrogênio formar bolhas, pode haver excesso de pressão o que poderia levar a pilha a "explodir". Além disso, o gás dificulta as reações e a própria circulação da corrente, devendo ser eliminado.

Para eliminar o gás é que existe o despolarizante a base de manganês. Este manganês absorve o hidrogênio evitando que ele traga problemas de funcionamento para a pilha.

As reações que ocorrem no interior de uma pilha seca são irreversíveis, ou seja, não podem ser invertidas para se devolver energia a ela.

Isso significa que as pilhas secas não são recarregáveis. A possibilidade de se carregar células químicas de energia elétrica resultou no aparecimento dos acumuladores.

 

ACUMULADORES

O acumulador foi descoberto por J. W. Ritter na Alemanha em 1803. O tipo atualmente mais usado é o acumulador chumbo-ácido que tem a estrutura mostrada na figura 3.

 

O acumulador chumbo-ácido.
O acumulador chumbo-ácido.

 

Cada célula contém duas placas de chumbo que são submersas numa solução de ácido sulfúrico. Quando a célula se encontra descarregada, as duas placas são de chumbo metálico. No entanto, quando uma corrente de carga é forçada a circular pela bateria, ocorre uma transformação química das placas e uma tensão de ordem de 1,6 V se manifesta entre elas.

A energia fica então acumulada e a célula pode ser usada para fornecer esta energia a um circuito externo. À medida que ela fornece energia, as placas novamente se transformam voltando ao estado original. Com a descarga completa é preciso fazer a corrente de carga circular por um certo tempo para que a célula volte a armazenar energia.

 

BATERIAS

Quando ligamos pilhas ou acumuladores em conjunto, obtemos associações denominadas "baterias".

Assim, o conjunto de células ou pilhas secas que formam uma bateria de 9V como a que usamos para alimentar um radinho, do tipo mostrado na figura 4, é uma bateria de pilhas.

 

Estrutura de uma bateria seca de 9 V.
Estrutura de uma bateria seca de 9 V.

 

Por outro lado, quando associamos acumuladores para obter uma bateria de 12V como a usada nos carros, o que temos uma é uma "bateria de acumuladores".

 

PILHAS ALCALINAS

Além das pilhas secas, temos hoje disponíveis no mercado as denominadas pilhas alcalinas.

 

Essas pilhas têm a estrutura mostrada na figura 5.

 

Estrutura básica de uma pilha alcalina.
Estrutura básica de uma pilha alcalina.

 

O eletrodo positivo é formado por dióxido de manganês enquanto que o eletrodo negativo também é o zinco. A solução, entretanto é de hidróxido de potássio (KOH) que é uma substância alcalina (daí a denominação dada a esta pilha).

A tensão de cada célula e de 1,5 V e ela se caracteriza por ter maior capacidade de fornecimento de energia que as pilhas secas.

Como as pilhas secas, as alcalinas não podem ser recarregadas, ou seja, as reações que liberam energia elétrica são irreversíveis.

As pilhas secas e as alcalinas, por terem apenas um ciclo de descarga, ou seja, só poderem fornecer energia uma vez e já virem de fábrica com toda energia que devem fornecer são denominadas primárias. Já os acumuladores são denominados fontes secundárias de energia, pois precisam ser carregados antes de entrarem em ação.

 

BATERIAS DE NICAD

Outro tipo de fonte de energia química recarregável, e portanto secundária, é a bateria de Nicad ou Níquel-Cádmio, que tem a estrutura mostrada na figura 6.

 

Estrutura de uma célula de Nicad.
Estrutura de uma célula de Nicad.

 

Pela sua durabilidade (número elevado de recargas), grande capacidade de fornecimento de energia, estas células são utilizadas numa grande variedade de aplicações práticas que exigem potências elevadas.

Nesta célula, que tem uma tensão em aberto de 1,2 V, o eletrodo positivo é feito com o metal cádmio (Cd) enquanto que o eletrodo negativo consiste no hidróxido de níquel. O eletrólito é formado por hidróxido de potássio.

Para recarregar estas células, basta fazer circular uma corrente no sentido apropriado que é o inverso ao do fornecimento de energia.

 

AS CARACTERÍSTICAS DAS PILHAS E BATERIAS

A escolha de um determinado tipo de pilha ou bateria para a alimentação de um equipamento está condicionada a diversos fatores.

O primeiro fator a ser considerado é a tensão que deve ser mantida no circuito durante o tempo de funcionamento.

As pilhas comuns fornecem uma tensão em aberto de 1,5 V assim como as alcalinas, enquanto que as baterias de Nicad fornecem 1,2V.

No entanto, a maneira como esta tensão se mantém durante a vida útil da pilha ou bateria pode variar e isso pode afetar o desempenho de um circuito.

Assim, conforme mostra a figura 7, enquanto que a tensão das pilhas comuns cai rapidamente durante seu uso, com uma curva irregular, para uma pilha alcalina depois de uma pequena queda, a tensão se mantém estável por um longo período, e muito mais no caso de uma célula de Nicad..

 

Curva de descarga dos diversos tipos de pilhas.
Curva de descarga dos diversos tipos de pilhas.

 

Podemos dizer que para todos os tipos, exceto os acumuladores chumbo-ácido que a vida útil da pilha termina quando a tensão cai abaixo de 0,8 V ou 0,9 V.

Um ponto importante a ser considerado é que esta queda ocorre pelo aumento da resistência interna da pilha que forma com o circuito externo um divisor de tensão, conforme mostra a figura 8.

 

Perdas na resistência interna de uma pilha.
Perdas na resistência interna de uma pilha.

 

Outro fator importante que determina a escolha de uma pilha é a sua capacidade de fornecimento de energia.

A quantidade de energia de uma pilha é dada pelo produto da tensão que ela mantém no circuito, pela corrente que ele exige e pelo número de horas em que isso ocorre.

Assim, uma pilha de 15 VAh pode fornecer uma corrente de 1,0A sob corrente de 1,5V durante 10 horas.

A mesma pilha fornecerá 100 mA de corrente a um circuito durante 100 horas.

A capacidade de fornecimento de energia não depende apenas do tamanho da pilha, mas também de seu tipo.

Assim, as pilhas que possuem maior densidade de energia são as alcalinas com 220 VAh por litro, contra 100 VAh das pilhas de comuns e 80 VAh das de Nicad.

Esta capacidade refere-se ao conteúdo energético total da pilha e não à sua potência.

Assim, a resistência interna baixa de uma pilha permite que ela seja capaz de operar em condições de alta corrente. Isso significa que as pilhas de NIcad podem fornecer correntes muito maiores que a alcalinas e que as comuns. Na verdade é até perigoso colocar em curto tais pilhas pela elevada corrente que pode até causar sua explosão. Isso não significa entretanto que, para um mesmo aparelho elas tenham maior durabilidade.

O fato importante a ser considerado então é que, para um consumo fixo de energia as pilhas alcalinas têm até 2,5 vezes a durabilidade de uma pilha comum e até 3 vezes mais a de uma de Nicad.

 

ESCOLHENDO A PILHA IDEAL

Os fabricantes de pilhas possuem em suas linhas de produtos variações de tipos, mesmo para as comuns, o que significa que, dependendo da aplicação o consumidor tem disponível aquela que apresenta o maior rendimento.

Assim, para as pilhas comuns, temos unidades que levam em conta o regime de funcionamento do aparelho que devem alimentar de modo a proporcionar o melhor rendimento.

O que ocorre é que ao alimentar um aparelho de maior consumo (aparelhos com motores ou lâmpadas), a pilha tem um ciclo de descarga mais rápido exigindo assim uma ação maior do despolarizante. Por outro lado, uma pilha que alimente um equipamento de baixo consumo (um relógio, por exemplo) tem um ciclo de descarga mais lento.

Estas pilhas devem ter características diferentes e isso realmente ocorre.

Indo ao supermercado o leitor vai constatar que atrás das cartelas de pilhas existem as aplicações possíveis para aquele tipo, e isso deve ser levado em conta.

 

Nas cartelas existem informações importantes sobre o uso das pilhas.
Nas cartelas existem informações importantes sobre o uso das pilhas.

 

Também, conforme o tipo de operação o leitor pode optar por outros tipos de pilhas, como por exemplo as de Nicad.

As pilhas alcalinas, por exemplo, nos aparelhos de alto consumo como por exemplo aparelhos de som de boa potência, lanternas, flashes de máquinas fotográficas brinquedos que usam motores, podem ter uma duração até 3 vezes maior. Mesmo tendo um custo mais alto do que as pilhas comuns elas podem compensar perfeitamente o investimento pela durabilidade.

Damos a seguir uma relação de aparelhos e os tipos de pilhas recomendadas:

* Rádios de pequena potência (portáteis): pilhas comuns, alcalinas e nicad.

* walkmans e CD-players portáteis: alcalinas e nicad

* aparelhos de som portáteis: alcalinas e nicad

* relógios e calculadoras de cristal de líquido: comuns

* controles remotos: alcalinas e nicad

* brinquedos com motores: alcalinas e nicad

* lanternas: alcalinas e nicad

* instrumentos de medida: comuns e alcalinas

* flashes eletrônicos: alca;inas e nicad

* transceptores (walk-talkies): alcalinas e nicad

 

Na tabela dada a seguir damos as características comparativas dos diversos tipos de pilhas e acumuladores para que o leitor tenha elementos para fazer sua melhor escolha.

 

Dados comparativos entre as pilhas e os acumuladores.
Dados comparativos entre as pilhas e os acumuladores.

 

Na época em que foi escrito diversos tipos de pilhas mais modernas não foram incluídos.

 

 

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