O objetivo é 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. 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:
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:
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 voltômetro (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:
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'.
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 da montagem:
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.
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 voltômetro (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. Sob d.d.p. útil de 1,2 V, teremos i = (Ebat.- U)/r = (1,4 - 1,2)/6000 = 3 x 10-5 A, que são suficientes para o funcionamento do relógio digital.
Como dissemos, como eletrólito podemos usar limão, abacaxi, pepino, uvas, cebolas etc. e, como eletrodos podemos usar os pares cobre/zinco, magnésio/ferro, alumínio/cobre, prego zincado/cobre etc. Para cada par deve-se testar, antes de ligar no relógio, qual a polaridade obtida (sob risco que 'queimar' o cristal de quartzo) para a bateria. Por exemplo, se for usado eletrodos de magnésio e de ferro, o magnésio será o terminal negativo e o ferro o terminal positivo. Calculadoras e jogos eletrônicos também funcionam com tais baterias 'culinárias'. Eis abaixo uma 'tomateria'; uma bateria de tomates!
Mais teoria: As reações nas células voltáicas são:
catodo: Zn <==> Zn2 + 2eanodo: 2H+ + 2e <==> H2
A F.E.M. da reação vem expressa por: E(Zn,Zn2,2H+,H2) = Eo + (RT/nF).ln([Zn2+]/[H+]2). O eletrodo de cobre opera apenas como coletor de elétrons, podendo ser substituído por platina ou outro metal inerte.
