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Cap. 9 Eletricidade: Circuitos e Supercondutores 255 D. Baterias e Veículos Elétricos Uma bateria é como uma "bomba" exercendo uma força sobre os elétrons em um fio. Trata-se de um conversor de energia, pois transforma a energia química em energia elétrica, fornecendo uma diferença de potencial entre os terminais da bateria. Em geral, uma bateria tem dois eletrodos (ou terminais) de diferentes materiais submersos em uma solução química chamada de eletrólito. Isto é chamado de célula; uma bateria é uma combinação de células. Pequenas quantidades dos compostos que integram os eletrodos passam para a solução no eletrólito como íons livres (átomos eletricamente carregados). Estes criam os terminais positivo e negativo. Quando dois terminais são unidos por um circuito externo, os elétrons podem fluir de um eletrodo para o outro. O eletrólito pode ser líquido (tal como ácido sulfúrico diluído em uma bateria de carro) ou uma pasta úmida (como em uma pilha comum). A diferença de potencial da bateria é mantida pela ação química contínua em cada eletrodo. A primeira bateria foi inventada pelo cientista italiano Alessandra Volta (1745 - 1827). Sua bateria consistia de uma pequena placa de zinco e outra de cobre, separadas por um pedaço de papelão que havia sido umedecido em uma solução salina. A medida que o átomo de zinco passa para o eletrólito como um íon, Zn —» Zn 2+ + 2e-, dois elétrons são deixados para trás. Estes elétrons fluem como corrente através de um fio externo até o outro eletrodo, ligando-se a um íon cobre que está em solução, depositando o cobre metálico sobre o eletrodo negativo: Cu 2 + + 2e- —> Cu. Uma bateria comum nos dias de hoje é a bateria de chumbo-ácido, usada em automóveis. O Quadro 9.2. sobre baterias comuns descreve a sua operação, bem como a das pilhas comuns. Uma vantagem das baterias de armazenagem é que elas são recarregáveis, ao contrário das pilhas. Isto é feito passando-se uma corrente externa pela bateria, na direção oposta à do fluxo de corrente durante a operação normal. As baterias de chumboácido são populares porque podem ser recarregadas milhares de vezes. Elas também são de custo relativamente baixo e fornecem altas correntes por períodos curtos de tempo. Quadro 9.2 BATERIAS COMUNS A bateria de chumbo—ácido geralmente consiste de seis células conectadas em série. Cada célula tem um eletrodo positivo feito de dióxido de chumbo e um eletrodo negativo feito de chumbo esponjoso puro, ambos imersos em um eletrólito composto de ácido sulfúrico, H 2 S0 4 , e água. Quando os dois terminais são conectados através de um circuito externo, dois elétrons no eletrodo negativo deixam um átomo de chumbo, que passa para a solução como Pb 2+ . Estes íons positivamente carregados combinam-se aos íons sulfato do eletrólito para formar sulfato de chumbo (PbSO 4 ). No terminal positivo, o dióxido de chumbo, PbO 2 , é convertido em sulfato de chumbo e água, usando os dois elétrons que "fluíram" através do circuito externo. Como o sulfato de chumbo se deposita em ambos os terminais durante a descarga da célula, a concentração de ácido sulfúrico da bateria diminui. Já que a densidade do ácido sulfúrico é bem maior que a da água, uma queda pronunciada na densidade do eletrólito indica que a célula está descarregada. Quando o depósito de PbSO 4 em cada eletrodo é tão grande que o Pb e o PbO 2 ficam indisponíveis para o eletrólito, dizemos que a bateria está "morta". A diferença de potencial gerada através dos dois terminais da célula é de 2 V, de forma que uma bateria de carro com seis células conectadas em série fornece 6 x 2 V = 12 V.
256 Energia e Meio Ambiente Uma bateria de célula seca (a pilha comum) utiliza um eletrodo de carbono como terminal positivo e um invólucro de zinco como terminal negativo. Uma pasta úmida serve como eletrólito; à medida que ela seca, a voltagem da célula diminui. A pilha também se desgasta à medida que o zinco é utilizado. A Bateria de armazenagem de chumbo-ácido Conversores de energia química em energia elétrica. Duas características de uma bateria são a sua voltagem e sua capacidade de descarga. A capacidade de descarga é igual à corrente fornecida pela bateria (em ampères) multiplicada pelo número de horas durante as quais a bateria é capaz de fornecer a corrente. Por exemplo, uma bateria de 12 V em bom estado terá uma capacidade de descarga de 60 ampères-horas, o que significa que pode fornecer 3 A de corrente por 20 horas, ou 10 A por seis horas. A energia armazenada em uma bateria é muito pequena, quando comparada com a energia armazenada em combustíveis mais convencionais. A bateria de chumboácido armazena aproximadamente 2% da energia disponível em 1 galão de gasolina! 12 Além disso, ela é muito pesada. A bateria já foi considerada a fonte mais confiável de potência conhecida. Ela é conveniente, portátil e confiável (não tem partes móveis). Algumas das aplicações importantes são a propulsão de veículos elétricos e a armazenagem de energia elétrica solar (gerada por células solares). Carros Movidos a Eletricidade (EVs) 13 têm sido construídos há muitos anos; eles eram tão populares quanto os carros movidos a gasolina na virada do século XIX para o século XX. A primeira multa por excesso de velocidade foi dada a um EV — por andar a 15 mph! 14 Em 1914 havia 20.000 EVs nas ruas. 12 N.T.: 1 galão = 3.7851. I3 N.T.: Do inglês "Eletric-powered Vehicles". 14 N.T.: Cerca de 24,6 km/h.
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