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Características de uma pilha (Atividade Laboratorial)

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Resumo do trabalho

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Atividade Laboratorial

Características de uma pilha

Objetivo:

Esta atividade experimental tem como objetivo determinar as características de uma pilha (força eletromotriz e resistência interna) a partir da sua curva característica.

Material:

• Pilhas novas e usadas (4,5 V)
• Fios de ligação (com fichas banana)
• Pinças crocodilo
• Reóstato de 100Ω
• Amperímetro (20 mA, 200 mA)
• Voltímetro (20 V)

Procedimento:

1. Montar o circuito elétrico, usando a pilha nova;
2. Deslocar o seletor do reóstato para a posição de maior resistência;
3. Fechar o circuito elétrico, tirando o fio de ligação do reóstato;
4. Verificar se as escalas do amperímetro e do voltímetro escolhidas são adequadas para toda a gama de leituras. Para isso, deslizar o seletor do reóstato até à posição de menor resistência, marcar esta posição, e alterar as escalas, se necessário. É conveniente utilizar, durante toda a atividade, as mesmas escalas;
5. Deslocar o cursor do reóstato para a posição de maior resistência e fechar o circuito elétrico, utilizando o fio de ligação;
6. Registar a intensidade de corrente elétrica (I) indicando a respetiva incerteza absoluta de leitura (informação do fabricante ou uma unidade no algarismo menos significativo);
7. Registar a diferença de potencial elétrico (U) indicando a respetiva incerteza absoluta de leitura (informação do fabricante ou uma unidade no algarismo menos significativo);
8. Abrir o circuito para impedir o aquecimento excessivo da pilha;
9. Deslocar um pouco o seletor do reóstato;
10. Fechar o circuito, utilizando o fio de ligação;
11. Repetir os procedimentos 6 a 10 pelo menos mais cinco vezes;
12. Abrir o circuito elétrico, utilizando o fio de ligação;
13. Registar a diferença de potencial elétrico (U), nos terminais da pilha que corresponde, aproximadamente, à força eletromotriz (Ꜫ) da pilha, indicando a respetiva incerteza absoluta de leitura (informação do fabricante ou uma unidade no algarismo menos significativo);
14. Repetir todos os procedimentos para a pilha usada.

Esquema de montagem:

Cuidados a ter:

• Utilizar os equipamentos só depois de ter lido e compreendido as instruções de manuseamento e segurança;
• Auxiliar na manutenção e utilização de equipamentos, informando a pessoa responsável de qualquer defeito detetado;
• Não manipular material elétrico com as mãos húmidas ou molhadas;
• Para desfazer ligações, puxar pinos ou fichas, segurando-os e nunca puxando pelos fios;
• O amperímetro sendo um aparelho de medida que tem uma resistência elétrica interna baixa, quando instalado em paralelo, provoca um curto-circuito (a corrente elétrica pode ser tão elevada que pode avariar o amperímetro). Por esta razão, o amperímetro deve ser colocado em série, não alterando a intensidade da corrente elétrica que atravessa o circuito;
• O voltímetro, por outro lado, tem uma resistência elétrica interna elevada, geralmente maior do que um megaohm. Por esta razão, pode considerar-se que a intensidade de corrente elétrica que o atravessa é desprezável quando comparada com a intensidade de corrente elétrica que atravessa o restante circuito, podendo assim, ser colocado em série e em paralelo;
• Após se efetuarem leituras de  e de , deve desligar-se imediatamente o circuito para impedir o aquecimento da pilha, permitindo assim que, durante toda a atividade, a força eletromotriz (ɛ) e a resistência interna da pilha ( ) se mantenham constantes.

Registo de dados:

• Pilha nova:

Força eletromotriz da pilha 1 (nova) medida diretamente (voltímetro): ɛ = (4,65 ± 0,01)

• Pilha usada:

Força eletromotriz da pilha 2 (usada) medida diretamente (voltímetro): ɛ = (4,00 ± 0,01) V

Tratamento de dados experimentais:

• Pilha nova:

1º Cálculo da resistência para o primeiro ensaio:

2º Cálculo da potência para o primeiro ensaio:

3º Cálculo do erro relativo:

Equação da reta: y = -1,9233.x + 4,6095

A curva característica é do tipo: y = a.x + b. O declive a da reta representa o simétrico da resistência elétrica interna da pilha (r) e a ordenada na origem b representa a força eletromotriz da pilha (ε).

A partir da equação do gráfico e da expressão U = ε - r.I, conclui-se que:

• r = 1,9233
• ε = 4,6095

 A partir deste gráfico era suposto obter o máximo da potência dissipada na resistência R, quando o valor de R, se aproxima do valor de r. Para obter esses valores era necessário obter um pico de gráfico. Tal não acontece porque o intervalo de resistências do reóstato utilizado não é amplo o suficiente para incluir um valor de resistência externa (R) que seja igual ao valor da resistência interna (r) da pilha velha. Se fossem acrescentadas resistências R ao circuito provavelmente encontrava-se um valor de resistência R que fosse igual ao valor da resistência r da pilha.

• Pilha velha:

1º Cálculo da resistência para o primeiro ensaio:

2º Cálculo da potência para o primeiro ensaio:

3º Cálculo do erro relativo:

Equação da reta: y = -5,7699x + 3,952

A curva característica é do tipo: y = a.x + b. O declive a da reta representa o simétrico da resistência elétrica interna da pilha (r) e a ordenada na origem b representa a força eletromotriz da pilha (ε).

A partir da equação do gráfico e da expressão , conclui-se que:

• r=5,7699
• ε=3,952

A partir deste gráfico era suposto obter o máximo da potência dissipada na resistência R, quando o valor de R, se aproxima do valor de r. Para obter esses valores era necessário obter um pico de gráfico. Tal não acontece porque o intervalo de resistências do reóstato utilizado não é amplo o suficiente para incluir um valor de resistência externa (R) que seja igual ao valor da resistência interna (r) da pilha velha. Se fossem acrescentadas resistências R ao circuito provavelmente encontrava-se um valor de resistência R que fosse igual ao valor da resistência r da pilha.

Resultados obtidos:

1.  Força eletromotriz medida diretamente no voltímetro (circuito aberto)
2.  Força eletromotriz retirada a partir da ordenada na origem da equação do gráfico (circuito fechado)
3.  Resistência interna retirada a partir do simétrico do declive da equação do gráfico

Análise e crítica dos resultados obtidos:

Os resultados obtidos estão de acordo com a previsão teórica uma vez que se obteve uma reta com equação do tipo y = a.x + b. Durante a realização da atividade poderão ter ocorrido algumas discrepâncias/ desvios entre a previsão teórica e os dados experimentais obtidos. Esses erros poderão ter sido a dispersão de energia na pilha, a má leitura das escalas do amperímetro e do voltímetro e o mau funcionamento dos equipamentos utilizados (amperímetro e voltímetro). Os resultados obtidos, a partir da equação da reta, do valor da força eletromotriz de cada uma das pilhas têm uma exatidão elevada uma vez que o valor do erro relativo é inferior a 5 %. Verificou-se que a pilha nova, em relação à pilha velha, tem uma resistência interna menor e uma força eletromotriz maior. Isto acontece porque com o tempo, as pilhas perdem a capacidade de gerar energia elétrica e diz-se que ficam «gastas». Ao variar o valor da resistência elétrica, do recetor, R, esse valor pode aproximar-se do valor da resistência interna da pilha (r), que se desconhece à partida. Tal não acontece, talvez pelo facto de o reóstato utilizado não apresentar um intervalo de resistências que inclua uma resistência igual à resistência interna da pilha, daí não verificar-se o seguinte gráfico:

Se fossem acrescentadas resistências R ao circuito provavelmente encontrava-se um valor de resistência R que fosse igual ao valor da resistência r da pilha. Se tal acontecesse, a potência dissipada (Pd) por efeito de joule pelo recetor atingia o máximo. Se esse valor de  se mantivesse por muito tempo, a pilha aquecia bastante e «gastava-se» rapidamente. Nesse caso, a potência Pd seria, aproximadamente, igual à potência elétrica fornecida pela pilha a esse recetor.

Conclusão:

No final da atividade conseguimos cumprir o objetivo inicialmente proposto: determinar as características da pilha (força eletromotriz e resistência interna) a partir da sua curva característica. Conclui-se que a pilha nova tem uma resistência menor e uma força eletromotriz maior em relação à pilha velha; e que a variação da força eletromotriz nas pilhas, em circuito aberto e em circuito fechado, não apresentam uma variação muito elevada.

Bibliografia:

• Manual de Física: Física 10; Física e Química A – 10º ano – Ensino Secundário | Autores: Agostinho Oliveira; Cacilda Moura; José Costa Leme; Luís Cunha; Paula Cristina Silva | Editor: Raiz Editora

370 Visualizações 15/06/2019

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