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Como funcionam as Pilhas e Baterias (ART2506)

Sem pilhas ou baterias a maioria dos aparelhos eletrônicos de uso portátil não poderia funcionar. Estas fontes de energia de grande importância podem ser encontradas em diversos formatos e preços, com características que dependem de seu uso. Saber como funcionam, os tipos disponíveis no mercado, e alguns cuidados relativos ao seu uso, é tão importante como conhecer o próprio equipamento que alimentam Neste artigo falaremos justamente sobre as pilhas e baterias, um pouco para que os leitores possam usar muito melhor estas fontes de energia.

Obs. Se bem que o artigo seja de 1984, os princípios básicos analisados ainda são válidos. Apenas atualmente temos novos tipos de pilhas e baterias disponíveis.

Converter energia liberada numa reação química em energia elétrica: esta é a função de uma pilha. Esta energia disponível pode então ser utilizada para colocar em funcionamento os mais diversos aparelhos que vão, desde lanternas, rádios portáteis, até sistemas de sinalização e transmissores em satélites artificiais.

O tipo de pilha que sempre tomamos como base para explicar o seu princípio de funcionamento é a denominada “Pilha de Volta”, nome em homenagem ao seu inventor, Alessandro Volta.

Ela consistia simplesmente em uma estrutura como a mostrada na figura 1, em que discos de cobre e zinco se alternavam, tendo entre eles discos de tecidos embebidos em uma solução de ácido sulfúrico.

 

Figura 1 – A pilha de volta
Figura 1 – A pilha de volta

 

Cada par de discos pode fornecer uma tensão em aberto da ordem de 1,2 a 1,6 V, sendo o polo positivo o disco de cobre e o polo negativo o disco de zinco. A tensão disponível, naturalmente, seria dada pela quantidade de pares de discos montados na estrutura.

A partir deste primeiro tipo de pilha, cujo desempenho e durabilidade deixam muito a desejar, a evolução foi muito grande. Deste modo, o que temos atualmente são pilhas e baterias bem diferentes, tanto na forma como no desempenho, mas que no princípio de funcionamento não se afastam muito do tipo básico.

Antes de analisarmos todos os tipos de pilhas comuns com que podemos contar no momento e suas principais características, temos inicialmente de fazer algumas considerações sobre os termos usados neste artigo.

Começamos por esclarecer aos leitores que existe uma diferença entre o que chamamos de pilha e o que chamamos de bateria.

A pilha ou célula é a unidade de fornecimento de energia, ou seja, o conjunto básico de elementos que permite obter energia a partir de reações químicas.

Já a bateria consiste numa associação de células ou pilhas, visando com isso obter uma quantidade de energia maior, que uma única pilha ou célula não conseguiria. (figura 2)

 

Figura 2 – Pilha e bateria
Figura 2 – Pilha e bateria

 

Como exemplo, podemos dizer que uma pilha de lanterna é realmente uma pilha porque consiste numa unidade de fornecimento de energia com um eletrodo positivo, um negativo e uma solução ativa.

Já a bateria de um carro é formada por uma certa quantidade de células que são associadas de modo a se obter uma tensão maior.

Em seguida devemos também esclarecer a diferença entre o que chamamos de células primárias e células secundárias.

As pilhas de lanterna comuns são células primárias, pois ao serem fabricadas já podem imediatamente fornecer energia e isso apenas por uma vez, ou seja, depois de descarregadas não podem mais receber nova carga.

Já as células secundárias, ao serem fabricadas, não podem imediatamente fornecer energia, precisando antes passar por um processo de carga. E, depois que se descarregam, podem ser recarregadas um certo número de vezes antes de terminarem sua vida útil.

Na figura 3 mostramos os ciclos de vida destas pilhas, ou células.

 

Figura 3 – Ciclos de vida
Figura 3 – Ciclos de vida

 

A célula primária tem apenas um ciclo de operação em sua vida útil, enquanto que a secundária tem diversos.

Nesta mesma figura mostramos os tipos de células mais comuns dos dois grupos.

Mas, mudando agora de assunto: se existem diversos tipos de pilhas e baterias, como saber qual deve ser usada em cada aplicação?

É isso justamente que vamos tentar responder daqui para frente, analisando o funcionamento e as características das principais pilhas disponíveis no nosso mercado.

 

PILHA SECA, LECLANCHE OU ZINCO-CARBONO

Esta, sem dúvida, é a pilha mais comum de todas. E a pilha seca, ou pilha de rádio, que encontramos a venda nas principais lojas, supermercados, charutarias e em muitos outros locais.

São fabricadas em quatro tamanhos básicos, AAA, AA, D e C, conforme o uso, também conhecidos por "palito” ,”pequena", “média" e “grande".

Na figura 4 temos a estrutura interna de uma pilha deste tipo, por onde analisaremos seu funcionamento.

 

   Figura 4 – Estrutura de uma pilha seca
Figura 4 – Estrutura de uma pilha seca

 

O invólucro externo da pilha é um copinho de zinco que também serve como eletrodo negativo. Um bastão de carbono, que tem no topo um capacete de metal, forma o elétrodo positivo, na parte central.

Em torno do eletrodo central, que é o bastão, existe uma mistura de carbono em pó e dióxido de manganês que é denominado despolarizante.

A finalidade desta substância é absorver as bolhas de hidrogênio que podem se formar durante o funcionamento da pilha e que, com sua pressão, poderiam fazê-la explodir, isso sem se falar no aumento da resistência interna.

A resistência interna aumentando faz com que a capacidade de uma pilha em fornecer corrente seja reduzida.

O restante do espaço interno do copo é preenchido com uma pasta de cloreto de amônia, que é o eletrólito, ou seja, a substância ativa da pilha.

A tensão encontrada nos terminais desta pilha, sem carga, é da ordem de 1,5 a 1,6 V.

A corrente máxima depende do seu tamanho: pilhas maiores podem fornecer mais corrente.

Quando em uso, as pilhas deste tipo apresentam uma curva característica do tipo mostrado na figura 5.

 

Figura 5 – Característica de funcionamento
Figura 5 – Característica de funcionamento

 

A cada ciclo de uso, a tensão gradualmente cai, até o momento em.que ela é desligada. Quando isso acontece, a tensão sobe, mas não volta ao valor inicial.

Com o tempo, a pilha cada vez mais passa a fornecer tensões menores à carga até o ponto em que não mais pode ser usada.

Para uma pilha comum, pode-se obter um bom número de ciclos de funcionamento se a corrente exigida pela carga não for elevada.

Este é o tipo de funcionamento que se nota em rádios portáteis e outros aparelhos de baixo consumo. Se as correntes exigidas forem elevadas, deve ser usado o tipo “Heavy Duty" (Serviço Pesado), projetada para fornecer muitos ciclos de alto-consumo, sem problemas. É o que acontece na alimentação de pequenos gravadores, lanternas e brinquedos onde o consumo é maior.

Obs. Hoje damos preferência às alcalinas neste caso.

As pilhas secas, como de outros tipos, também sentem os efeitos da temperatura. A temperatura ideal de funcionamento é a situada entre 20 e 27°C. Abaixo e acima ocorrem diversos tipos de problemas e abaixo de 15°C, por exemplo, tanto a tensão como a capacidade de corrente caem acentuadamente, e abaixo de 5°C seu uso praticamente torna-se impossível.

Outro tipo de problema que ocorre com este tipo de pilha é o “vazamento".

De fato, o copo externo, que é o eletrodo negativo, pode ser totalmente consumido nas condições em que se exigem grandes correntes, o que ocorre principalmente em lanternas, e isso permite que o eletrólito bastante corrosivo saia.

O resultado não precisa ser dito para quem já teve uma lanterna ou rádio “comido" por uma pilha nestas condições.

Nas aplicações em que maiores tensões sob correntes ainda não muito altas são exigidas, as pilhas secas podem ser montadas em invólucros únicos formando baterias.

Na figura 6 mostramos dois tipos mais comuns.

 

Figura 6 – Baterias de pilhas secas
Figura 6 – Baterias de pilhas secas

 

A primeira é a bateria de 4,5 V formada por 3 pilhas de 1,5 V ligadas em série. Estas são cilíndricas, como as pilhas comuns vendidas isoladamente. Já a bateria de 9 V tem uma montagem diferente.

São células planas, empilhadas de modo a formarem em série um conjunto que resulte na tensão desejada.

Lembramos que as baterias de 9 V deste tipo são dispositivos de baixa corrente, e que portanto gastam logo se inadequadamente usadas.

 

REATIVAÇÃO? PODE SER FEITA?

Muitos leitores devem conhecer a crença popular de que colocando na geladeira ou na água quente uma pilha deste tipo, ela “carrega-se", podendo ser usada ainda por mais tempo.

Na verdade, o que ocorre neste caso não é bem uma recarga, mas sim uma reativação.

No caso da geladeira, influi muito mais o tempo em que a pilha fica em repouso, permitindo assim que o despolarizante entre em ação eliminando os gases formados, do que propriamente a temperatura, enquanto que no caso da água quente, realmente pode-se com isso reativar o que resta da solução, permitindo assim o funcionamento da mesma por mais algum tempo.

 

PILHAS ALCALINAS

Este é um tipo de célula que pode fornecer muito mais energia, quando em comparação às pilhas secas, sendo portanto recomendado para os casos em que se exige maior corrente, maior autonomia, tudo isso num volume menor.

Na figura 7 temos um gráfico em que o desempenho deste tipo de pilha é comparado ao de uma pilha seca comum.

 

Figura 7 – Desempenho comparativo da pilha alcalina
Figura 7 – Desempenho comparativo da pilha alcalina

 

Conforme podemos ver pelo gráfico, a durabilidade de uma pilha alcalina, nas mesmas condições de funcionamento de uma pilha seca comum, é muito maior.

Seu custo mais alto pode perfeitamente ser compensado pela maior durabilidade.

E importante ressaltar que o fator tempo x fator capacidade de corrente não correspondem de uma forma linear. Isso quer dizer que se uma pilha pode funcionar durante uma hora fornecendo corrente de 100 mA, ela não funcionará 10 horas se a corrente for de 10 mA.

Para uma corrente menor durante maior tempo, a durabilidade pode ser estendida. Este fator é muito importante na escolha de uma pilha para uma aplicação.

Nestas pilhas o invólucro externo é de aço, consistindo também no polo negativo, enquanto que o eletrodo positivo consiste em pelotas de zinco. O eletrólito é hidróxido de potássio, uma substância alcalina, daí o nome da pilha.

Lembramos que este tipo de pilha é uma célula primária, não admitindo, portanto, recarga.

 

BATERIA CHUMBO-ÁCIDO

Passamos agora a uma fonte de energia secundária, já que este tipo de bateria pode ser recarregado.

Na figura 8 temos a sua estrutura simplificada, onde mostramos apenas uma célula.

 

 Figura 8 – A célula chumbo-ácido
Figura 8 – A célula chumbo-ácido

 

Duas placas de chumbo são imersas em uma solução de ácido sulfúrico, que é o eletrólito. Quando a bateria é carregada, uma das placas permanece chumbo, enquanto que a outra se modifica quimicamente.

Cada célula deste tipo manifesta uma tensão sem carga entre seus terminais entre 2,3 e 2,4 V quando plenamente carregada.

Com carga, esta tensão cai para valores entre 2 e 2,2 V.

Associando então 6 destas células temos a conhecida bateria de 12 V usada nos automóveis. (figura 9)

 

Figura 9 – A bateria de 12 V
Figura 9 – A bateria de 12 V

 

A capacidade de uma bateria deste tipo é normalmente especificada em ampères-hora (Ah) para uma descarga de 10 horas.

Uma bateria de carro de 40 Ah, por exemplo, pode fornecer uma corrente de 4 A durante 10 horas. Entretanto, neste caso, a relação entre o fator tempo x fator corrente não é linear.

Numa descarga rápida, com corrente de 10 A, por exemplo, a durabilidade da bateria já não será de 4 horas, mas menor, enquanto que, com descarga sob menor corrente, o tempo poderá ser maior que o calculado.

Sob condições de operação em curto intervalo de tempo, como no caso da partida de um carro, estas baterias podem fornecer correntes muito elevadas, da ordem de até centenas de ampères.

O estado de carga ou descarga de uma bateria deste tipo é dado pela densidade do eletrólito a qual pode ser medida com um aparelho denominado densímetro, que é mostrado na figura 10.

 

Figura 10 – O densímetro
Figura 10 – O densímetro

 

Nas condições de plena carga, o densímetro acusará valores entre 1,21 e 1,27 para o eletrólito dependendo do tipo de bateria (1,26 para automóveis, tipicamente).

A carga de uma bateria deve ser feita com cuidado.

Obs. As baterias abertas quase não mais são usadas hoje em dia. Os tipos comuns são vedados.

 

CARGA DE BATERIAS CHUMBO-ÁCIDO

Para uma bateria inicialmente descarregada, recomenda-se que a corrente de carga seja de 1 A para cada 5 Ah de capacidade, o que nos leva a uma corrente de 8 A para uma bateria de carro comum de 40 Ah.

Esta carga deve durar até que o eletrólito comece a borbulhar e a tensão entre os terminais chegue a 2,3V para cada elemento. Quando isso acontecer, a corrente deve ser reduzida para 1 A para cada 25 Ah de capacidade, o que leva a aproximadamente 2 A para uma bateria comum de carro, até o fim.

Esta é a chamada carga rápida, que pode ser feita com o circuito da figura 11, bastante econômico, onde o díodo para a rede de 110 V deve ter uma tensão inversa de pico de 200 V e uma corrente de 10 A.

 

Figura 11 – Circuito simples de carga
Figura 11 – Circuito simples de carga

 

É importante observar que o gás que borbulha no eletrólito da bateria é o hidrogênio, que é combustível. A carga da bateria deve ser feita longe do fogo e em locais ventilados.

A carga vista acima é a carga “rápida", que reduz a durabilidade da bateria e que, portanto, só deve ser feita em condições extremas. Uma carga lenta é muito melhor, sendo normalmente empregada uma corrente de até 30 mA para cada 100 Ah.

Uma bateria de carro em carga lenta poderia ser feita com 120 mA de corrente, a longo prazo.

 

PILHAS E BATERIAS DE NÍQUEL-CÁDMIO

Este é um tipo muito importante de célula secundária, que pode ser carregada, portanto, e que começa a se difundir bastante nas aplicações eletrônicas.

O que ocorre é que o eletrólito líquido e a necessidade de ventilação permanente (por causa do hidrogênio) impedem que as baterias chumbo-ácido sejam usadas em outra posição que não seja a vertical, o que não acontece com as de nicádmio (níquel-cádmio).

Estas pilhas possuem como eletrólito uma solução de hidróxido de potássio, enquanto que os eletrodos são formados por aço perfurado. No eletrodo positivo temos, para enchê-lo, pó de cádmio finamente dividido, misturado com um pouco de ferro para evitar a perda da porosidade.

Na figura 12 mostramos a curva de descarga típica de uma bateria deste tipo.

 

Figura 12 – Carregador e curva de descarga
Figura 12 – Carregador e curva de descarga

 

Nas condições de circuito aberto (sem carga) a tensão de uma célula de nicádmio é de 1,3 a 1,4V, mas esta tensão cai para 1,2 V quando sob carga.

Estas baterias podem ser fabricadas em tamanhos muito pequenos, do mesmo modo que as pilhas comuns, daí poderem ser usadas nas mesmas aplicações, com vantagens.

A carga é feita fazendo circular uma corrente no sentido inversa com uma intensidade que equivale a aproximadamente 1,5 vezes a corrente que a leva a descarga em 10 horas.

Por exemplo, se uma pilha deste tipo se descarrega em 10 horas quando solicitamos uma corrente de 100 mA (1 Ah de capacidade), então sua carga ideal é feita com uma corrente de 1,5 x 100 mA = 150 mA.

Fontes reguladas (fontes de corrente constante) podem ser usadas para carregar este tipo de pi!ha, sendo algumas bastante sofisticadas, mas de um modo simples pode-se dentro de bons limites obter uma corrente constante para a carga de uma bateria de nicádmio.

Este método é mostrado na figura 13 e consiste na utilização de uma fonte com uma tensão muito maior que a da pilha ou bateria a ser carregada, tendo em série um resistor que reduza a corrente ao valor desejado.

 

Figura 13 – Carregador Nicad simples
Figura 13 – Carregador Nicad simples

 

Uma fórmula simples para se determinar d valor do resistor em função da corrente de carga é:

R = (Vo – V)/I

Onde:

R é a resistência em Ω

Vo é a tensão da fonte

V é a tensão da pilha carregada

l é a corrente aproximada de carga

A dissipação do resistor é dada por:

P = R x l2

Onde:

P é a potência em watts a ser dissipada

R é a resistência em Ω

I é a corrente em ampères

Na prática, o resistor deve ter uma capacidade de dissipação pelo menos duas vezes maior.

Ao usar as baterias de nicádmio tome cuidado para não por em curto seus terminais, pois elas podem explodir.

 

 

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