PESQUISA 01
Batateria (Uma bateria elétrica de batatas)
Batateria (Uma bateria elétrica de batatas)
Prof. Luiz Ferraz Netto
Objetivo
Estudar o funcionamento das células voltáicas e associações em série.
Uma batata cortada pela metade, duas plaquinhas de cobre e duas plaquinhas de zinco, permitem a confecção de uma batateria capaz de acionar um relógio digital por, pelo menos, dois meses.
Com certos 'cuidados', os quais comentaremos, esse tempo de uso pode ser estendido para cerca de quatro meses.
Apresentação
Os modernos relógios digitais a cristal de quartzo requerem uma baixíssima intensidade de corrente elétrica para seu funcionamento.
Se você tiver um bom microamperômetro poderá constatar que ela será algo como 1,5 x 10-6 A sob tensão elétrica (d.d.p.) de 1,35 V.
É devido a isso que tais relógios podem funcionar com as minúsculas baterias 'botões' que geram uma f.e.m. entre 1,2 a 1,4 volts, notadamente as baterias com células de mercúrio.
Os experimentos a seguir aproveitam-se dessa propriedade inerente aos circuitos eletrônicos --- funcionarem com baixíssimas intensidades de corrente elétrica.
O que faremos, essencialmente, será construir 'baterias' a partir de duas 'células voltáicas' que produzirão, cada uma, 0,6 a 0,7 V.
Dois eletrodos distintos (plaquinhas de cobre e zinco) serão introduzidos em meias-batata (ou quiabo, ou limão, ou abacaxi, etc.) e associados em série de modo a constituírem uma bateria [associação de duas pilhas primárias (células voltaicas)].
Fazendo uma pilha primária
Corte uma batata pela metade. Corte duas chapinhas, uma de cobre outra de zinco, com cerca de (2 x 4) cm. Qualquer espessura das chapinhas entre 1 e 2 mm servirá; essas chapinhas serão os eletrodos da pilha primária.
Solde em cada uma dessas plaquinhas um fio de cobre flexível (cabinho 22) com cerca de 20 cm de comprimento (descasque as extremidades e estanhe-as --- passe solda).
Espete as plaquinhas na meia-batata (bem perpendicular à superfície cortada) deixando para fora apenas cerca de 1 cm e separada por cerca de 0,8 cm.
Não deixe as plaquinhas se encontrarem dentro da meia-batata.
Veja a ilustração: Figura 1
Fazendo a 'batateria'
Essa pilha de meia-batata apresentará força eletromotriz (f.e.m.) de cerca de 0,7 V, o que pode ser constatado mediante um bom voltímetro (resistência interna grande) conectado aos dois fios indicados acima.
Como iremos necessitar de cerca de 1,4 V para acionar o relógio digital deveremos construir uma bateria a partir de duas dessas pilhas primárias e associando-as 'em série', como se ilustra:
Figura 2
Preparando o relógio
Qualquer relógio digital que utilize uma bateria botão poderá ser usado.
O que utilizei é um "CITIZEN - CRYSTON LC".
A primeira coisa a fazer é remover a tampinha em forma de disco do alojamento da bateria botão.
Retire a bateria 'pifada'.
Olhe bem para essa bateria e repare que o "corpo" dela corresponde ao pólo positivo enquanto que o "botão superior" corresponde ao pólo negativo.
Veja dentro do local de alojamento dessa bateria as duas lâminas de contato, uma que encosta no pólo positivo da bateria e outra que encosta no pólo negativo.
Solde nessa pequenas lâminas dois pedaços de cabinho 22, um vermelho ligado na 'lâmina positiva' e um preto ligado na 'lâmina negativa'.
Figura 3
O fio que vem da plaquinha de cobre da 'batateria' deve ser ligado ao fio vermelho do relógio e o fio que vem da plaquinha de zinco da 'batateria' deve ser ligado ao fio preto do relógio.
Pronto! O relógio já deve estar funcionando. Eis as ilustrações de minha montagem:
Figura 4
À esquerda a proteção de madeira para a montagem; numa divisão foi feito o orifício para inserir o relógio, na outra foi colocado um pires 'quadrado' para conter as meias-batatas.
À direita um destaque da montagem. Abaixo, detalhes da parte posterior da montagem.
Figura 5
Análise do circuito
A tensão elétrica útil (U) entre os terminais de cada pilha primária, pode ser expressa em termos de sua f.e.m. (E), de sua resistência interna (r) e da corrente de intensidade i que por ela circula, assim :
U = E - r.i ,
mostrando, claramente, que a tensão útil depende da intensidade da corrente elétrica solicitada (i).
Em circuito aberto, um bom voltímetro (Rv,int-->¥) conectado aos eletrodos fornece
Uaberto= E,
pois iaberto = 0
Um bom amperômetro (Ra,int-->0) conectado diretamente entre os eletrodos (curto-circuitando a pilha), fornece
Icc = E/r,
uma vez que
Ucc = 0.
Da leitura da f.e.m. E (via voltômetro) e da corrente de curto circuito icc (via amperômetro) obtemos: r = E/icc .
Para nossa montagem esse valor resultou ao redor dos 3 000 ohms e E = 0,7 V.
Para as duas pilhas em série, formando nossa batateria teremos
Ebat. = 1,4 V e rbat. = 6 000 W
PESQUISA 2
Pilha feita de limões
Material
2 percevejos de latão 2 clipes de papel calculadora de 1,5 V
fios elétricos limão sal
Procedimento
1. Corte o limão em duas partes e fixe em cada uma delas um percevejo e um clipe nas extremidades.
2. Conecte a ponta de um dos fios no percevejo e a outra ponta no clipe do outro pedaço de limão.
3. Conecte a ponta do fio no outro clipe e a outra ponta livre no pólo negativo da calculadora.
4. Conecte o outro fio no percevejo e a outra ponta do fio no pólo positivo da calculadora.
5. Ligue a calculadora e verifique se a mesma funciona.
PESQUISA 3
http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=33527
Construção de pilhas - eletroquímica
11/07/2011
Autor e Co-autor(es)
MONTES CLAROS - MG Universidade Estadual de Montes Claros
Co-autor(es)
Edson Luis Nunes, Daniel Rodrigues Ventura, José Ângelo de Faria
Estrutura Curricular
Modalidade / Nível de Ensino
|
Componente Curricular
|
Tema
|
Ensino Médio
|
Química
|
Propriedades das substâncias e dos materiais
|
Ensino Fundamental Final
|
Ciências Naturais
|
Tecnologia e sociedade
|
Ensino Médio
|
Física
|
Calor, ambiente e usos de energia
|
Dados da Aula
O que o aluno poderá aprender com esta aula
- Sobre a tendência das substâncias em receber ou doar elétrons, formando íons e culminando na criação de corrente e outros fenômenos elétricos.
- O princípio de funcionamento de uma pilha.
- Como construir uma pilha com materiais comuns do dia-a-dia.
- Como associar pilhas em série e em paralelo.
Duração das atividades
50 minutos
Conhecimentos prévios trabalhados pelo professor com o aluno
- Cargas elétricas e corrente elétrica.
- Oxidação e redução.
- Meio ácido e meio básico.
- Diferença de potencial elétrico.
- Saber usar um multímetro para medir diferença de potencial elétrico.
Estratégias e recursos da aula
As atividades a seguir têm por objetivo mostrar como se constrói pilhas utilizando materiais simples, como realizar associações de pilhas em série e em paralelo e o que ocorre com as diferenças de potencial (ddp) nessas associações. Por meio dos experimentos propostos, verificaremos a tendência das substâncias em receber ou doar elétrons, formando íons e culminando na criação de corrente e outros fenômenos elétricos. O professor dividirá a turma em grupos de, no máximo, 5 estudantes. As atividades serão realizadas num laboratório de Física e, além dos materiais, serão utilizados recursos multimídia (computador conectado à internet e projetor multimídia) para a apresentação de pequenos vídeos e exposição de alguns conceitos.
O professor pode iniciar a atividade explicando que dois metais diferentes, quando colocados num meio líquido condutor de cargas elétricas formam uma pilha. Esse meio líquido por onde as cargas (íons, nesse caso) serão transportadas é chamado de ponte salina e não precisa ser, necessariamente, ácido (caso do limão ou do refrigerante coca-cola), mas pode ser também básico (caso da batata). Para metais diferentes colocados nesse meio condutor, surgem cargas de polaridades opostas e fica estabelecida uma diferença de potencial elétrico (ddp) entre eles. Dependendo da escolha dos pares de metais, pode-se conseguir tensões de mais de 1 V. Os pares podem ser, por exemplo, ferro/cobre, alumínio/cobre, zinco/cobre, alumínio/ferro e outros. Montada a pilha, se conectarmos os metais (nesse caso, chamados de eletrodos) por um fio condutor, teremos uma corrente de elétrons passando pelo fio.
Atividade 1. Pilha de limão
Material
– 1 limão.
– 1 placa de cobre.
– 1 placa de zinco.
– 1 voltímetro.
– Fios para conexão com garras jacarés nas pontas.
– 1 placa de cobre.
– 1 placa de zinco.
– 1 voltímetro.
– Fios para conexão com garras jacarés nas pontas.
Observação: O material acima é suficiente para a realização do experimento por um grupo de estudantes.
Procedimento
Para se construir uma pilha de limão é necessário que dois eletrodos sejam espetados em um limão, sem que um toque o outro. Nesse experimento, usaremos como eletrodos uma placa de cobre e uma de zinco e o limão como solução condutora, como pode ser observado na Figura 1. Com o zinco e o cobre ligados ao mesmo meio ácido, o limão atuará como ponte salina, permitindo a corrente de íons de uma placa para a outra.
Utilizando um fio elétrico com crocodilos nas extremidades, una o fio do pólo vermelho do voltímetro ao eletrodo de cobre. Com outro fio, una o pólo preto do voltímetro ao eletrodo de zinco.
Os fios elétricos servirão de condutores, permitindo a passagem de uma corrente de elétrons.
É possível verificar que o voltímetro indica a diferença de potencial de cerca de 0,8 V (esta fonte de energia elétrica pode ser usada para alimentar um relógio digital).
Figura 1. Montagem da pilha de limão
(Figura disponível em:
Figura 2. Pilha de limão conectada ao multímetro
(Figura disponível em:
Para orientar a montagem da pilha, o professor exibirá o vídeo disponível no endereço:
A pilha de limão segue os mesmos princípios da Pilha de Daniel, que também é composta por dois eletrodos:
um de zinco (Zn) em solução de ZnSO4 e outro de cobre (Cu) em solução de CuSO4.
Figura 3. Pilha de Daniel
No eletrodo de Zn ocorre a seguinte reação:
Zn(s) ---> Zn2+(aq) + 2e (reação de oxidação)
(placa) (solução) (vão para o eletrodo de Cu)
No eletrodo de Cu ocorre a seguinte reação:
Cu2+(aq) + 2e ---> Cu(s) (reação de redução)
(solução) (vieram do Zn (placa)
através do condutor)
Reação Global:
Figura 4. Reação global da Pilha de Daniel
Pela reação global, percebe-se que a placa de Zn sofre corrosão e ainda ocorre um aumento da concentração de Zn2+ na solução. No eletrodo de cobre, íons Cu2+ recebem os elétrons cedidos pelo Zn e se transformam em Cu, que é depositado na placa de Cu, diminuindo a concentração de Cu2+ na solução.
Para manter o equilíbrio elétrico de cargas positivas e negativas na solução, íons Zn2+ migram para o eletrodo de Cu e íons Cu2+ migram para o eletrodo de Zn, através da ponte salina.
Obs: O eletrodo que sofre redução é chamado de cátodo (pólo positivo) e o eletrodo que sofre oxidação é chamado de ânodo (pólo negativo).
A capacidade de atrair elétrons que cada íon metálico em solução apresenta é chamada de potencial de redução (Ered).
O Ered do cátodo é sempre maior que o Ered do ânodo, assim, o sentido da corrente elétrica que passa pelo condutor é do ânodo para o cátodo.
Representação de uma pilha: metal que sofre oxidação / íon metálico formado // íon metálico que sofre redução / metal formado
A representação da Pilha de Daniel é dada por:
Zn(s) / Zn2+(aq) / / Cu2+(aq) / Cu(s)
Ao final dessa atividade, os estudantes deverão responder às seguintes perguntas:
1.Qual a diferença de potencial entre os terminais da pilha de limão?
Resposta esperada: aproximadamente 1V, conforme medição do multímetro.
2. Qual dos pólos da pilha de limão é o oxidante e qual é o redutor?
Resposta esperada: O pólo oxidante é o de zinco e o redutor é o de cobre.
Atividade 2. Pilhas de Coca-cola associadas em série
Material
– 2 garrafas pet (600ml);
– 2 placas de zinco (10cmx2cm);
– 2 placas de cobre (10cmx2cm);
– Fios para conexão com garras jacarés nas pontas;
– 2 rolhas de cortiça para separar as placas;
– elásticos;
– 1 led;
– 1 calculadora ou relógio que utilize uma pila AA;
– multímetro.
– 2 placas de zinco (10cmx2cm);
– 2 placas de cobre (10cmx2cm);
– Fios para conexão com garras jacarés nas pontas;
– 2 rolhas de cortiça para separar as placas;
– elásticos;
– 1 led;
– 1 calculadora ou relógio que utilize uma pila AA;
– multímetro.
Observação: O material acima é suficiente para a realização do experimento por um grupo de estudantes.
Procedimento
Passo 1: Cortar as garrafas na altura de 10 cm do fundo, aproximadamente. A parte de baixo será utilizada para fazer copos.
Figura 5. Garrafas cortadas
(Figura disponível em:
Passo 2: Utilizando um elástico, una as placas metálicas de zinco e cobre com uma rolha entre as mesmas, evitando seu contato. Outros materiais isolantes também podem ser usados como separador das placas.
Figura 6. Conjunto de 1 placa de zinco e 1 placa de cobre separadas por 1 rolha de cortiça.
Passo 3: Após montar as placas com o separador, coloque-os dentro da garrafa cortada e acrescente cerca de 170ml da solução ácida (Coca-Cola).
Figura 7. Conjunto de placas dentro da solução ácida (Coca-cola)
(Figura disponível em:
Passo 4: Conecte as pilhas em série, ligando a placa de zinco de uma das pilhas à placa de cobre da outra, conforme a foto abaixo:
Figura 8. Pilhas ligadas em série.
(Figura disponível em:
Passo 5: Teste a passagem da corrente elétrica utilizando um multímetro.
Será medida uma diferença de potencial superior a 1,6V. Esta fonte de energia elétrica pode ser usada para alimentar uma calculadora ou relógio que utilize uma pilha AA ou ainda para acender um led.
Para orientar a montagem do experimento, o professor pode exibir o vídeo disponível no endereço:
Em seguida o professor explicará que a diferença de potencial medida pelo multímetro é decorrente de uma reação química na qual um dos reagentes é oxidado e outro reduzido.
Este processo ocorre em eletrodos diferentes, o que faz com que os elétrons passem de um pólo para outro da pilha, gerando uma corrente elétrica, o que faz funcionar os dispositivos conectados.
Neste caso, o pólo de zinco é o negativo e a placa de cobre é o pólo positivo, que só atua como um condutor elétrico e não sofre transformação.
Ao final dessa atividade, os estudantes deverão responder às seguintes perguntas:
1. A diferença de potencial das pilhas associadas em série é maior ou menor que a de uma pilha individual?
Resposta esperada: é maior, pois as diferenças de potencial das duas pilhas são somadas.
2. Explique como é feita a associação em série.
Resposta esperada: A associação em série é feita pela ligação da placa de zinco de uma das pilhas à placa de cobre da outra.
Atividade 3. Pilhas de batata associadas em paralelo
Material
Uma batata cortada ao meio.
Duas placas de cobre, com dimensões de 2 cm x 4 cm.
Duas placas de zinco do mesmo tamanho que as de cobre.
Quatro pequenos pedaços de fio de cobre 22 com garras jacaré nas pontas.
Um multímetro.
Duas placas de cobre, com dimensões de 2 cm x 4 cm.
Duas placas de zinco do mesmo tamanho que as de cobre.
Quatro pequenos pedaços de fio de cobre 22 com garras jacaré nas pontas.
Um multímetro.
Observação: O material acima é suficiente para a realização do experimento por um grupo de estudantes.
O professor, no início da atividade, deve dizer aos estudantes que em quase todos os aparelhos que usam pilhas, não se usa somente uma célula por vez.
Elas geralmente são agrupadas de forma serial, para disponibilizar diferenças de potencial (ddps) mais altas, ou em paralelo, para suprir demandas por correntes mais altas (alimentar aparelhos de maior potência, ou seja, maior consumo de energia). Em um arranjo serial, as ddps se somam.
Em um arranjo em paralelo, a ddp permanece a mesma de uma pilha individual, mas o arranjo de pilhas pode suprir uma corrente mais alta e por um tempo longo (comparado com o que pode fornecer uma pilha individual).
Na figura 9 temos diagramas que mostram estes 2 arranjos:
Figura 9. Esquema de associação de pilhas em paralelo e em série.
(Figura disponível em:
A seguir, o professor proporá aos estudantes a construção de duas pilhas utilizando o material disponibilizado (dessa vez, usando o corpo da batata como ponte salina) e a associação dessas pilhas em paralelo.
Procedimento
Divida uma batata ao meio e espete firmemente, em cada metade, uma placa de zinco e uma de cobre, deixando-as próximas uma da outra. Pegue quatro pequenos pedaços de fio de cobre 22 (com garras jacaré nas pontas) e prenda cada pedaço a uma das placas. Cada conjunto formado corresponde a uma pilha que oferece uma diferença de potencial (ddp) de 0,7 V entre as placas.
Associe os conjuntos em paralelo. Isso significa ligar o pólo positivo de uma pilha ao pólo positivo da outra e, em seguida, ligar o pólo negativo de uma pilha ao pólo negativo da outra, conforme representação na Figura 10.
Figura 10. Pilhas de batata associadas em paralelo. (Figura adaptada da imagem disponível no endereço
Cada pilha produz ddp de 0,7V. As 2 pilhas associadas em paralelo formarão um conjunto que também produzirá 0,7V, mas esse mesmo conjunto pode, dependendo da demanda, disponibilizar uma corrente mais alta por um tempo mais longo, em comparação com o que pode fornecer, individualmente, cada pilha.
O professor deve pedir aos estudantes que utilizem um multímetro para observar a medição da diferença de potencial de 0,7V.
Ele deve ainda pedir aos estudantes que, em cada grupo, discutam e proponham, para toda a sala, uma maneira de verificar a hipótese de que o conjunto de pilhas associadas em paralelo disponibiliza uma corrente maior e que dura mais tempo.
Ao final dessa atividade, os estudantes deverão responder às seguintes perguntas:
01. Ao realizarmos a medida de diferença de potencial da pilha ligando seus pólos ao multímetro, obtivemos um determinado valor. O que aconteceria se a ligação dos pólos ao multímetro fosse invertida?
Resposta esperada: Observaríamos um valor de mesmo módulo, mas de sinal contrário.
2. Como é feita a associação em paralelo das pilhas de batata?
Resposta esperada: A associação em paralelo é feita pela ligação das placas de zinco e de cobre de uma das pilhas às respectivas placas de zinco e de cobre da outra.
Recursos Complementares
Para construção de pilhas com outros materiais, veja os seguintes endereços:
Para construção de pilhas com eletrodos de cobre e magnésio (performance muito boa), utilizando materiais de baixo custo, consulte o material disponível em:
Avaliação
Após a realização dessa aula sobre pilhas, o estudante deverá ser capaz de:
Compreender o princípio de funcionamento de uma pilha.
Construir uma pilha com materiais comuns do dia-a-dia.
Medir a diferença de potencial elétrico de uma pilha usando um multímetro.
Saber o que é uma associação de pilhas em série e em paralelo.
Nenhum comentário:
Postar um comentário