Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Estudo caracterização de uma pilha alcalina Projeto FEUP 2016/2017 Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Coordenador Geral: Manuel Firmino & Sara Ferreira Coordenador do Curso: J. N. Fidalgo & J. C. Alves Supervisor: Carlos Ramos Monitor: Nuno Fernandes Turma 4 Equipa 3 Diogo Campos up201605388 Gonçalo Freitas up201604391 João Nogueira up201606507 Paulo Oliveira up201606879 Vera Nunes up201606046
Resumo Este trabalho foi desenvolvido no âmbito da unidade curricular Projeto FEUP, com o de estudar e caraterizar a pilha alcalina que é o elemento chave deste projeto. A descrição desta foi possível através da análise dos resultados que obtivemos nas experiências realizadas nos laboratórios. Para a execução das experiências, mediu-se a Tensão (V) ao longo do tempo, de uma pilha alcalina ligada a uma das duas resistências, uma de 1Ω e outra de 1/3Ω. De forma a que a pilha fosse se gastando. De seguida, representamos, em forma de gráfico, os valores que obtemos de forma a interpretar a variação da Tensão no esgotamento de uma pilha. Palavras-Chave Pilha; Resistência; Amperímetro; Voltímetro; Breadboard; Circuitos 1
Lista de Figuras Figura 1: Circuito elétrico Figura 2: Resistência Figura 3: Resistências em paralelo Figura 4: Resistências em serie Figura 5: Multímetro Figura 6: Gráfico Figura 7: Gráfico Figura 8: Gráfico Figura 9: Gráfico 2
Glossário Diferença de potencial, ou tensão (V) : corresponde à diferença de energia potencial eléctrica, por unidade de carga, entre dois pontos. Pode-se também definir como o trabalho realizado para movimentar uma carga eléctrica entre os dois pontos. A unidade de medida é o Volt (V) e equipamento que permite medir esta grandeza eléctrica designa-se por Voltímetro. Corrente eléctrica (I) : corresponde ao fluxo, mais ou menos ordenado, de portadores de carga eléctrica livres. Num fio elétrico metálico, os portadores de carga são eletrões. A corrente elétrica I mede, por definição, a quantidade de carga por unidade de tempo que atravessa uma determinada secção (transversal) de um fio elétrico. Assim, a corrente elétrica é tanto maior quanto maior for o número de cargas que atravessam a secção e a velocidade a que elas a atravessa. Este movimento de cargas realiza trabalho, consequentemente, de alguma forma deve existir uma diferença de potencial (tensão) entre dois pontos para haver corrente. Portanto, em circuitos elétricos a tensão V e a corrente I relacionam-se sempre. A unidade de medida é o Ampere (A) e equipamento que permite medir esta grandeza elétrica designa-se por Amperímetro. Fonte de tensão: para ocorrer corrente num circuito é necessário então existir uma fonte de energia elétrica que defina uma tensão. A fonte de tensão é uma dessas fontes e que por definição impõe, idealmente, uma tensão aos seus terminais independentemente do que lá se ligar e da corrente que a atravessa. 3
Índice: Resumo Palavras-Chave Lista de Figuras Glossário 1.Introdução 5 2. História da Pilha 2.1. Origem da Pilha.6 2.2. Evolução da Pilha.6 2.3. Tipos de Pilha 6 3. Pilha Alcalina 3.1. Composição da Pilha 7 4. Circuitos 4.1. Definição.8 4.2. Componentes.8 4.2.1 Fonte de tensão.8 4.2.2 Fonte de corrente..9 4.2.3 Resistência.9 5.Metodologia: 5.1. Determinação experimental da característica I/V da pilha alcalina..10 5.1.1. Como montar um circuito com resistências em paralelo.11 5.1.2. Como montar um circuito com resistências em serie...12 5.2. Montagem de circuitos...13 6. Resultados: 6.1. Caracterização da relação Corrente versus Tensão (I/V) de uma pilha alcalina..14 6.2. Comparação da descarga de um tipo de pilha alcalina com várias correntes 16 7. Conclusões: 7.1. Caracterização da relação Corrente versus Tensão (I/V) de uma pilha alcalina..18 7.2. Comparação da descarga de um tipo de pilha alcalina com várias correntes...18 Referências Bibliográficas 4
1.Introdução A pergunta que se pode colocar neste momento é de que forma a tensão entre dois pontos condiciona a corrente entre esses mesmos pontos. Tudo depende do que estiver ligado entre eles. Há vários elementos elétricos que condicionam de diferente forma como é que a corrente e a tensão se relacionam. O elemento elétrico mais básico é a resistência que é regido pela Lei de Ohm. A resistência é um elemento elétrico com dois pontos de acesso (terminais) cuja a corrente que o atravessa relaciona-se com a tensão aos seus terminais da seguinte forma: I = V R V = R I Neste projeto iremos combinar os resultados teóricos obtidos através da Lei de Ohm e os resultados reais obtidos através da nossa experiência, de forma a chegar a uma conclusão sólida que nos clarifique sobre este tema. 5
2.História da Pilha 2.1. Origem da pilha Para falarmos da origem da pilha temos de recuar ao século XVII quando Otto Von Guericke criou a primeira máquina que produzia eletricidade. Pegando neste estudo, Luigi Galvani começou por pesquisar sobre a aplicação da eletricidade e concluiu que era possível armazená-la e conduzi-la. Com o trabalho de Luigi Galvani, Alessandro Volta, põem em pratica e conclui que colocando dois metais diferentes em contacto, um dos metais ficou ligeiramente positivo e outro ligeiramente negativo, estabelecendo assim uma diferença de potencial (tensão elétrica). Surgiu, portanto, a primeira pilha, chamada de pilha voltaica. 2.2. Evolução da pilha A primeira pilha era composta por discos de zinco e cobre, separados por um tecido, mergulhados numa solução de ácido sulfúrico. Ao longo dos anos a pilha tem vindo a desenvolver-se, sendo atualmente a pilha conhecida a pilha seca, são mais práticas e fáceis de transportar, fornecendo corrente elétrica durante mais tempo. 2.3 Tipos de pilha Existem 4 tipos de pilha: Pilha de lítio - utilizadas em calculadoras, câmaras fotográficas e comando, geralmente de 3V; Pilha de botão com oxido utilizadas em relógios com uma tensão de 1,55V; Pilha seca utilizadas em brinquedos e alarmes possuem uma tensão de 1,5V; Pilha Alcalina a mais conhecida de todas que usada normalmente em equipamentos portáteis e jogos tal como a pilha seca e possui uma tensão de 1,5V. 6
3.Pilha alcalina: As pilhas com eletrólitos alcalinos em vez de ácidos foi, pela primeira vez, desenvolvida por um engenheiro e inventor sueco chamado Waldemar Jungner em 1899 e, em 1901 por Thomas Edison, que trabalhava independentemente. O tipo de pilha usado atualmente, a pilha seca, que usa óxido de zinco/magnésio, foi inventada pelo canadiano Lewis Urry nos anos 50 enquanto trabalhava para a divisão Eveready Battery da empresa Union Carbides em Cleveland nos EUA, apoiada no anterior trabalho de Edison. A 9 outubro de 1957 um grupo de cientistas composto por Urry, Karl Kordesch e P. A. Marsal apresentou a patente americana número 2,960,558 para a pilha alcalina. Foi aceite em 1960 e foi entregue à Union Carbide Corporation. Quando foram introduzidas nos anos 60, as pilhas alcalinas continham uma pequena quantidade de mercúrio tóxico para controlar as reações paralelas no ânodo de zinco. Com a redução por lei do conteúdo de mercúrio e progressos na pureza e consistência dos materiais, as quantidades de mercúrio nas células modernas têm vindo a ser reduzida pelos fabricantes. 3.1. Composição da pilha: As pilhas alcalinas são fabricadas de forma estandardizada em cilindro permutável com pilhas de zinco-carbono e em forma de botão. O elétrodo positivo é uma pasta comprimida de óxido manganês com pó carbónico, que é adicionado para aumentar a condutividade. A pasta pode ser comprimida dentro do recipiente da pilha ou pode ser em anéis pré-moldados. o centro oco do cátodo é alinhado com um separador, que previne o contacto dos materiais do elétrodo com e um curto-circuito da célula, e é feito de uma camada não tecida de celulose ou de um polímero sintético. Este separador deve conduzir iões e manter-se estável no eletrólito altamente básico de solução. Por sua vez, o elétrodo negativo é composto por uma dispersão de zinco em gel que contém o eletrólito de hidróxido de potássio. O pó de zinco permite uma maior área de superfície para que reações químicas aconteçam comparando com a lata de metal, o que baixa a resistência interna da célula. Para impedir que esta seja exposta a gases tóxicos no fim da sua vida útil é usado mais dióxido de manganês do que o necessário para reagir com todo o zinco. 7
4. Circuitos 4.1. Definição Um circuito é, geralmente, constituído por vários componentes ligados entre eles, de forma a criar pelo menos um caminho fechado por onde a corrente elétrica possa circular. Estes percursos tomam a designação de ramos. Na figura (1), está representado um circuito onde a um dos terminais da fonte (C) foi ligada uma resistência (R) e ao terminal da resistência foi ligada a fonte, formando assim um percurso para a corrente (i) fluir. Figura 1 4.2. Componentes Com base no Princípio da Conservação da Energia, pode afirmar-se que uma fonte de energia elétrica não é mais que um conversor capaz de transformar outro tipo de energia em energia elétrica. Neste trabalho vamos estudar uma pilha alcalina, um conversor de energias química em energia elétrica. 4.2.1 Fonte de tensão Principais tipos de fontes de tensão: Fonte de Tensão Genérica Fonte de Tensão Contínua (DC) Fonte de Tensão Alternada (AC) Quando se liga uma fonte de tensão a outro componente gera-se um ramo onde circula a corrente. Não obstante, a corrente fornecida pela fonte de tensão depende dos componentes que ela alimenta. Uma fonte de tensão ideal pode ser ser deixada sem qualquer ligação aos seus terminais, o chamado circuito aberto. Neste caso, a corrente fornecida e, 8
consequentemente, a potência são nulas. Numa mesma fonte de tensão ideal, os seus terminais não podem ser ligados entre si por um fio condutor ideal. Isso provocaria um curto-circuito, correspondente a uma anulação da tensão do gerador. 4.2.2 Fonte de corrente Quando uma fonte de corrente é ligada a outro componente gera-se um ramo onde a corrente flui. Apesar disso, a diferença de potencial aos seus terminais, dependerá do elemento que a fonte alimenta. Os terminais de uma fonte de corrente podem ser ligados entre si. Neste caso, a tensão aos seus terminais e, consequentemente, a potência que ela debita são nulas. Uma fonte de corrente não pode ser deixada em circuito aberto dado que isso seria correspondente a uma anulação da corrente que a mesma fornece. Deve sempre existir um percurso para que a corrente se feche. 4.2.3 Resistência Uma resistência ideal é um dipolo capaz de converter toda a energia elétrica absorvida em energia sob a forma de calor. É a representação da característica física que os materiais apresentam de se oporem à passagem da corrente. Materiais bons condutores elétricos apresentam níveis de resistência baixos, por outro lado, os materiais isolantes demonstram elevados níveis de resistência. O valor R da resistência é expresso em ohm (1Ω=1V/1A). Na figura (?) está presente uma representação teórica de uma resistência. Figura 2 9
5. Metodologia Material: Pilhas 1.5 V Placa de montagem tipo breadboard Porta pilhas Fio de cobre Resistências de 1Ω Multímetro 5.1 Determinação experimental da característica I/V da pilha alcalina Procedimento: O circuito deverá ser montado tendo em conta o modelo de circuito acima representado na figura 1. As medições do valor da Tensão(T) e da Corrente(I) deverão ser feitas para diferentes valores de resistência do circuito através de combinações de diversas resistências de 1Ω, sabendo que para valores de resistência inferiores a 1 as resistências têm de ser montadas em paralelo e para valores superiores a 1 estas têm de ser montadas em série. Resistências em paralelo: 10
5.1.1. Como montar um circuito com resistências em paralelo 1º. Deve-se anexar a pilha alcalina de 1.5 V à placa tipo breadboard 2º. Uma extremidade da resistência tem de ser colocada no polo positivo da placa e a outra no meio da placa, para associar uma resistência a esta no centro da placa tem de se colocar na mesma coluna e para associar no polo positivo tem de associar na mesma linha. 3º. Para obter o valor da Tensão de uma montagem de resistências em paralelo, colocou-se um fio de cobre para fechar o circuito, ligando uma extremidade ao polo negativo e a outra à última resistência. 4º. Para medir os valores pretendidos no multímetro ligou-se os terminais positivo e negativo do mesmo, aos terminais da resistência equivalente. 5º. Registar os valores. Figura 3 Resistências em série: 11
5.1.2. Como montar um circuito com resistências em série 1º. Adiciona-se a pilha alcalina de 1.5 V à placa de montagem 2º. A primeira resistência tem de ser encaixada por um lado no polo positivo, por outro lado no meio da placa. As próximas resistências para serem colocadas em série terão de apresentar uma extremidade na mesma coluna da resistência anterior sempre que colocada no meio da placa. 3º. Com o objetivo de medir os diferentes valores no multímetro ligamos as extremidades deste ás extremidades da pilha. 4º. Registar os valores Figura 4 Para efetuar as medições da Tensão e da Corrente foram utilizados 2 multímetros para que pudéssemos realizar as medições de ambas ao mesmo tempo. Com o material pronto procedemos à medição para: 1/3Ω, 1/2Ω, 1Ω, 2Ω, 3Ω, 4Ω, 5Ω, 12
6Ω, 7Ω, 8Ω, 9Ω, 10 Ω e para um circuito aberto, ou seja, sem resistência. Após a medição todos os resultados foram colocados numa folha de cálculo para proceder à elaboração de um gráfico do tipo V(R). Figura 5 5.2 Comparação da descarga de um tipo de pilha alcalina com várias correntes Com o objetivo de analisar a evolução da descarga de uma pilha alcalina com diferentes resistências montámos novamente um circuito semelhante ao da figura 1. Desta vez pretendemos registar os resultados da Tensão para resistências com o valor de 1/3Ω e 1Ω. Cada medição foi feita em intervalos de 30 segundos, e registada numa folha de cálculo a fim de realizar um gráfico que mostre a influência da resistência na descarga da pilha. 6. Resultados 13
6.1 Caracterização da relação Corrente versus Tensão (I/V) de uma pilha alcalina. N resistências Tensão (V) Corrente (A) 0 0.695 2 1 3 1 2 0.902 1.06 1.098 1.03 1 1.123 0.77 2 1.230 0.50 3 1.276 0.37 4 1.298 0.29 5 1.329 0.24 6 1.334 0.21 7 1.348 0.18 8 1.371 0.16 9 1.363 0.14 10 1.365 0.13 Aberto 1.412 0 14
Tempo (min) Tensao(V) Tempo (min) Tensao(V) Figura 6 Figura 7 6.2. Comparação da descarga de um tipo de pilha alcalina com várias correntes. 15
0,5 0,625 11 0,38 1 0,607 11,5 0,327 1,5 0,598 12 0,264 2 0,593 12,5 0,236 2,5 0,593 13 0,215 3 0,589 13,5 0,182 3,5 0,583 14 0,162 4 0,574 14,5 0,117 4,5 0,569 15 0,09 5 0,565 15,5 0,083 5,5 0,542 16 0,078 6 0,539 16,5 0,073 6,5 0,535 17 0,069 7 0,53 17,5 0,065 7,5 0,522 18 0,061 8 0,514 18,5 0,061 8,5 0,5 19 0,058 9 0,484 19,5 0,055 9,5 0,466 20 0,051 10 0,442 20,5 0,049 10,5 0,417 21 0,046 11 0,38 21,5 0,044 11,5 0,327 22 0,042 Figura 8 16
Tempo (min) Tensao(V) Tempo (min) Tensao(V) Tempo (min) Tensao(V) Tempo (min) Tensao(V) 0,5 1,154 10,5 0,956 20,5 0,915 30,5 0,778 1 1,13 11 0,954 21 0,926 31 0,756 1,5 1,126 11,5 0,951 21,5 0,925 31,5 0,819 2 1,101 12 0,948 22 0,921 32 0,818 2,5 1,092 12,5 0,945 22,5 0,921 32,5 0,812 3 1,067 13 0,942 23 0,921 33 0,796 3,5 1,075 13,5 0,932 23,5 0,834 33,5 0,779 4 0,999 14 0,929 24 0,827 34 0,761 4,5 0,987 14,5 0,925 24,5 0,822 34,5 0,736 5 0,979 15 0,921 25 0,817 35 0,696 5,5 0,971 15,5 0,918 25,5 0,813 35,5 0,639 6 0,965 16 0,915 26 0,808 36 0,558 6,5 0,959 16,5 0,912 26,5 0,804 36,5 0,457 7 0,953 17 0,887 27 0,799 37 0,387 7,5 0,948 17,5 0,94 27,5 0,794 37,5 0,35 8 0,944 18 0,937 28 0,789 38 0,321 8,5 0,941 18,5 0,935 28,5 0,783 38,5 0,283 9 0,938 19 0,918 29 0,817 39 0,186 9,5 0,961 19,5 0,915 29,5 0,817 39,5 0,182 10 0,958 20 0,912 30 0,812 40 0,178 Figura 9 17
7.Conclusões Esta atividade laboratorial foi desenvolvida a fim de conseguir uma boa caracterização da pilha alcalina. Para descrever esta realizámos duas experiências: uma que visa relacionar a corrente e a tensão, e outra que permita comparar a descarga, de uma pilha alcalina quando associada a diferentes correntes. 7.1. Caracterização da relação Corrente versus Tensão (I/V) de uma pilha alcalina. Com os resultados obtidos na primeira experiência foram realizados dois gráficos com os dados registados. O primeiro gráfico mostra relação que existe entre o número de resistências existentes num circuito e a diferença de potencial existente no mesmo. Verificando assim que à medida que o número de resistências aumenta a tensão aumenta também, resultado que se encontra de acordo com a Lei de Ohm, que nos diz que que a tensão é diretamente proporcional à resistência. Seguidamente foi elaborada outra representação gráfica que caracteriza a ligação existente entre a Corrente (I) e a Tensão (V). Aqui é visível a diminuição da Intensidade da Corrente (I) em função da Diferença de Potencial (V), visto que o valor da resistência não foi constante, ao longo da atividade foram realizados diferentes circuitos associando diferentes valores de resistência, contrariando assim a Lei de Ohm que defende que com o aumento da Tensão (V) deveria aumentar a Intensidade da Corrente (I) para o mesmo valor de resistência. 7.2. Comparação da descarga de um tipo de pilha alcalina com várias correntes. Na segunda experiência pretendíamos comparar o modo como se comporta uma pilha num circuito associado a uma resistência com o valor de ⅓ de Ohm (Ω) e 1 Ohm (Ω). Os gráficos resultantes dos valores obtidos ilustram que um circuito com uma resistência equivalente no valor de ⅓Ω descarrega a pilha a uma maior velocidade, visto que no mesmo tempo a Tensão atingiu valores mais baixos do que no circuito que apresentava uma resistência de 1Ω. Estes resultados estão em conformidade com a realidade pois se existe uma menor resistência a passagem de corrente a pilha descarrega mais depressa. 18
Referências Bibliográficas História da Pilha, acedido a 19 de outubro: https://pt.wikipedia.org/wiki/pilha Tipos de Pilhas, acedido a 20 de outubro: http://www.techcd.com.br/blog/index.php/tipos-de-pilhas/ Pilha Alcalina, acedido a 23 de outubro: https://en.wikipedia.org/wiki/alkaline_battery#history Circuitos, acedido a 25 de outubro: https://fenix.tecnico.ulisboa.pt/downloadfile/3779578012779/see%202010.pdf Resistência, acedido a 25 de outubro: http://osfundamentosdafisica.blogspot.pt/2013/06/cursos-do-blog-eletricidade_19.html 19