Colégio Estadual Professor Edilson Souto Freire – CEPESF
E-mail: 3cepesf2019am@gmail.com
Emanuel Silva – aluno da rede estadual
Diana Queiroz – aluna da rede estadual
Dandara Brisa – aluna da rede estadual
George Oliveira – aluno da rede estadual
Luany Victória – aluna da rede estadual
Lyvia Almeida – aluna da rede estadual
Kleber Albuquerque – aluno da rede estadual
Ellen Camile – aluna da rede estadual
Samuel – professor da rede estadual
Resumo:
O presente trabalho tem como objetivo enfatizar a importância e a história das pilhas, como também apresentar um protótipo fabricado a partir de materiais de simples uso social. A partir deste protótipo será possível compreender alguns processos físico-químicos específicos da área de eletricidade, em Física. O método aqui utilizado será simples, com conceitos aplicados para a total compreensão de todos. Hoje em dia (com a grande extensão que a tecnologia propiciou) o uso da energia elétrica, química e mecânica tornou-se primordial para a maioria das tarefas humanas, como no uso da TV (com o controle remoto, entre outros), para a ligação de alguns outros equipamentos eletroeletrônicos como caixas de som, rádios, brinquedos e outros. Com isso, se torna perceptível a influência e a utilidade das pilhas, o que torna este estudo importante para uma melhor compreensão do mundo globalizado. Por fim, a grande novidade deste trabalho é que as pilhas que serão utilizadas são de origem distinta das industriais (as quais podemos obter no mercado), contribuindo assim para um novo olhar da realidade, estimulando a pesquisa científica, o trabalho árduo e, com isso os provenientes erros, que serão importantes para o acúmulo de novas aventuras e novos conhecimentos.
Palavras-chave: importância. história. pilhas. protótipo. eletricidade. energia. Introdução
1.1 Do ponto histórico das pilhas:
A história das pilhas começa com um anatomista italiano chamado Luigi Galvani (1737-1798), no ano de 1786, no momento em que Galvani dissecava uma rã (inicialmente morta), seu assistente encosta, por acidente, a ponta de seu bisturi (instrumento cirúrgico, usado em incisões) em uma das coxas da rã, gerando assim uma contração no tecido muscular da rã. Galvani observou que os metais (o do bisturi e o qual ele utilizava no experimento) quando em contato com a rã resultava em uma geração de energia elétrica, onde os metais eram apenas condutores elétricos e que a energia estava contida no corpo da rã, teoria da qual foi denominada de “eletricidade animal”. Com o passar do tempo foi percebido que tal teoria estava incorreta e, o físico, também italiano, Alessandro Volta (1745-1827) dedicou-se a explicar de modo correto e científico o que realmente estava ocorrendo, ele concluiu que era o oposto do que Galvani tinha proposto, a rã é que era a condutora da energia e os dois metais distintos eram que geravam a corrente elétrica, para que ele pudesse comprovar suas experiências, em 1800 Volta confeccionou a primeira pilha de oxirredução da história (figura 1), da qual era constituída de discos de zinco (Zn), cobre (Cu) e, um disco de feltro com ácido sulfúrico. (FOGAçA, Jennifer Rocha Vargas. "História das pilhas"; Brasil Escola. Disponível em <https://brasilescola.uol.com.br/quimica/historiadas-pilhas.htm>. Acesso em 18 de abril de 2019.).
Volta empilhou estes três discos sucessivamente, como pode ser observado na imagem abaixo:
figura 1
Fonte: (FOGAçA, Jennifer Rocha Vargas. "História das pilhas"; Brasil Escola. Disponível em <https://brasilescola.uol.com.br/quimica/historia-das-pilhas.htm>. Acesso em 18 de abril de 2019.)
Somente depois de algum tempo um outro estudioso conhecido como Daniell fez um experimento onde utilizou dois recipientes, em que um continha uma placa de zinco em uma solução de sulfato de zinco (ZnSO4(aq) ) e no outro uma placa de cobre numa solução de sulfato de cobre (CuSO4(aq)), os dois recipientes foram conectados por um tubo de vidro com uma solução de sulfato de potássio (K2SO4(aq)) e com lã de vidro em suas extremidades, no final ele interligou as duas placas (Zn e Cu) com um fio condutor na parte externa e adicionou uma lâmpada para indicar a passagem de energia elétrica (figura 2). O funcionamento da experiência de Daniell é bem simples, o zinco tem mais propriedades de se oxidar (perda de elétrons), tornando-se assim o polo negativo, enquanto que o cobre tem mais propriedades para a redução (ganho de elétrons), ficando assim como polo positivo, os elétrons que saem do zinco (polo negativo) vão sendo transportados através do fio condutor para o cobre (polo positivo), com isso, gera-se uma corrente elétrica (fluxo de elétrons), e é o que faz a lâmpada acender. Os íons cobre da solução recebem os elétrons e transformam-se em cobre metálico que se deposita sobre a lâmina de cobre. Daniell realizou tal experimento para ilustrar como ocorria a geração da corrente elétrica (FOGAçA, Jennifer Rocha Vargas. "Pilhas"; Brasil Escola. Disponível em <https://brasilescola.uol.com.br/quimica/pilhas.htm>. Acesso em 18 de abril de
2019).
Abaixo pode-se observar uma imagem que melhor retrata a experiência de Daniell:
figura 2
Fonte: FOGAçA, Jennifer Rocha Vargas. "Pilhas"; Brasil Escola. Disponível em
<https://brasilescola.uol.com.br/quimica/pilhas.htm>. Acesso em 18 de abril de 2019.
As pilhas que são utilizadas atualmente (figura 3) possuem o mesmo princípio de funcionamento que as anteriores, diferentes apenas em alguns compostos, as principais pilhas atuais são de dois tipos: as alcalinas, que possuem como eletrodo negativo o zinco (Zn) e como positivo uma barra de grafite ao centro, e em sua volta dióxido de manganês (MnO2), carvão em pó (C) e uma pasta úmida contendo hidróxido de potássio (KOH). E as pilhas ácidas que possuem no geral a mesma composição, distinguindo-se apenas no conteúdo da pasta úmida, da qual encontra-se o cloreto de amônio (NH4Cl), o cloreto de zinco (ZnCl2) e água (H2O).
figura 3
Fonte: FOGAçA, Jennifer Rocha Vargas. "Pilhas"; Brasil Escola. Disponível em <https://brasilescola.uol.com.br/quimica/pilhas.htm>. Acesso em 18 de abril de 2019.
1.2 Materiais
Os diversos materiais (figura 4) que serão utilizados (para a elaboração do protótipo de uma pilha) são de simples obtenção e manutenção, como se pode observar na imagem abaixo:
Como se pode ver, o recipiente que é utilizado é um tubete plástico que irá servir de local para introduzir a solução da qual se denomina eletrólito (neste estudo serão vistos três eletrólitos, água sanitária; vinagre; água e sal). Também é perceptível a presença de dois metais dos quais são: o alumínio (Al) e o cobre (Cu), que irão ocupar como posição o polo negativo e o polo positivo, respectivamente; outro material que se faz presente também é um fio de cobre obsoleto (sem uso) que terá um papel fundamental servindo de sustentação para a pilha. Para as experimentações futuras será necessário o uso de fio de cobre (cerca de 2m) para a realização correta e completa dos circuitos que serão em breve vistos, alguns LEDs também serão de extrema importância para se obter o resultado esperado, equipamentos de manutenção (opcionais) serão utilizados para realizar algumas práticas, assim como um alicate (para poder efetuar o perfeito encaixe dos fios), e um estilete (especial para desencapar os fios).
Procedimento experimental
2.1 Elaboração
Para a elaboração da pilha é necessário que antes de tudo possua-se todos os materiais já descritos acima. Num primeiro momento é necessário ter em mãos o tubete plástico e, em seguida será necessário a realização de dois furos na tampa do mesmo (figura 5), lembrando que um furo deve ser redondo (da espessura do fio de cobre) para se encaixar o fio rígido e, o outro como uma linha fina para assim passar o filete de alumínio, o ponto chave aqui é realizar os furos com cautela, para que não saiam maiores do que o fio de cobre e o filete de alumínio, caso isso ocorra será necessário o uso de cola (three bond, cola quente ou outra) para a vedação da parte aberta do furo, lembrando-se que este último ponto só se faz necessário visando o foco num melhor desempenho da pilha.
figura 5
Fonte: elaborado pelos alunos
Em segundo lugar, deve-se ir em busca de um fio de cobre rígido, com ele em mãos basta retirar a capa protetora de plástico (por completo) e analisar um tamanho que seja um pouco maior (cerca de 5cm) do que o tubete, este excesso de tamanho servirá para criar o caracol (figura 6) no fio, lembrando também que o fio deve tocar a base do tubete e ultrapassar a tampa do tubete (figura 4).
figura 6
Fonte: elaborado pelos alunos
Logo em seguida a busca é por alumínio (para este protótipo foi utilizada uma latinha de cerveja), após obtê-lo basta recortar (com o uso de um estilete) no formato de uma vela com um pires (figura 7) e, é necessário compreender que a parte fina e reta do alumínio deve estar de acordo com o tamanho do furo na tampa do tubete. Depois de recortado, o alumínio, deverá ser lixado (com esponja de aço) para assim facilitar o fluxo de elétrons do alumínio no experimento.
figura 7 Fonte: elaborado pelos alunos
Após o correto corte do alumínio (imagem acima) deve dobrá-lo, formando uma circunferência, para a entrada vertical no tubete (figura 8).
figura 8
Fonte: elaborado pelos alunos
Agora que o alumínio encaixa perfeitamente dentro do tubete é hora de encaixar no furo da tampa do tubete o fio rígido de cobre, lembrando-se de que no final ambos, o cobre e alumínio, não podem se encostar, podendo causar assim um curto circuito, que é a ligação direta dos dois polos (ou terminais), resultando em uma dissipação de toda energia que é produzida, neste caso a tensão gerada é nula mas, a corrente elétrica (i) é a mais intensa possível, da qual se denomina de corrente de curto-circuito (BONJORNO; et al., 2001). Após estes experimentos se faz necessário a criação da base de sustentação da pilha, com o auxílio de um cabo de vassoura enrola-se o fio reciclado (sem eliminar a capa protetora) no cabo efetuando-se voltas ondulatórias (figura 9), por fim, basta apenas encaixá-lo no tubete.
figura 9
Fonte: elaborado pelos alunos
Ao final o protótipo estará finalizado, no que diz respeito à sua elaboração, e se apresentará como na figura 4.
2.2 Os três primeiros experimentos (água e sal; vinagre e água sanitária)
Para as realizações dos experimentos foi necessário o uso de um multímetro (figura 10), para assim podermos obter o valor da tensão U (ou d.d.p) em Volts (V). O manuseio é simples, primeiro abre-se a tampa do tubete e então basta introduzir o eletrólito, após isso fecha-se o tubete (considerando a relação de contato entre o cobre e o alumínio) e realiza o teste com o multímetro. No primeiro experimento com água e sal o resultado obtido foi: 0,5 V, no segundo onde utilizamos vinagre obtivemos: 0,48 V e, por fim com a água sanitária conseguimos o valor de: 1,7 V, é lícito lembrar que apenas para fins investigativos medimos a voltagem (apenas) da água, e obtivemos 1,47 V o que foi simplesmente impressionante para nosso trabalho. A d.d.p. é a diferença de potencial, da qual é uma das grandezas mais importantes da eletricidade, e serve para explicar o movimento das cargas elétricas (elétrons), utilizando como exemplo, em uma pilha industrial a d.d.p. entre seus terminais (polo negativo e polo positivo) vale 1,5 Volts; já em uma tomada residencial esta d.d.p. vale de 110 ou 220 V (BONJORNO; et al., 2001).
figura 10
Fonte: elaborado pelos alunos
2.3 Das associações em série e em paralelo
Antes de falarmos das associações em série e paralelo abordamos, primeiramente, um circuito simples (figura 11), apenas para seguir uma ordem linear de acordo com o livro de ‘Física em contextos’ do 3° ano do Ensino Médio. Nota: para os seguintes experimentos foi utilizado apenas água sanitária em todos os tubetes.
figura 11
Fonte: elaborado pelos alunos
O que está acontecendo na figura 11 é um simples raciocínio, de início, as duas pilhas (já montadas e ambas com a solução de NaClO-hipoclorito de sódio, ou água sanitária) foram conectadas por um fio (de cobre) condutor, as duas extremidades do fio foram retiradas, ou seja, a capa protetora, em seguida uma extremidade do fio foi envolvida no cobre (cátodo, positivo) e a outra no alumínio (ânodo, negativo), de uma e outra pilha. Logo após foram necessários mais dois fios (também descascados nas extremidades) para haver a comunicação das pilhas com o LED, um fio foi envolvido (sua parte descascada) no cobre de uma pilha e a outra extremidade do mesmo foi envolvida em uma das duas pontas do LED, o mesmo aconteceu com o outro fio, diferenciando apenas que uma extremidade dele foi envolvida no alumínio da outra pilha (como é lícito de se observar na figura 12, acima). Cientificamente o que está acontecendo é que a energia gerada pelas duas pilhas está “fluindo” pelos condutores (fios de cobre) e assim conseguem chegar até o LED, consequentemente a energia que o LED está recebendo faz com que ele acenda. Como exemplo, para indicar que este circuito é importante de ser compreendido, o mesmo é bastante visto em luminárias de mesa e abajures, a diferença é que eles possuem uma chave para controlar a passagem de energia pelos circuitos (PIETROCOLA; et al., 2016). Um fator que deve ser lembrado aqui é o sentido da corrente elétrica, existem dois sentidos, o convencional e o real. O convencional é o sentido da corrente elétrica (i) saindo do polo positivo para o negativo, este sentido é comumente usado no meio acadêmico da Física e, também é o mesmo utilizado no campo elétrico no interior do condutor. Em contrapartida o sentido real da corrente elétrica (que é o movimento realizado pelos elétrons no mundo físico) é o que os elétrons saem do polo negativo até o polo positivo (BONJORNO; et al., 2001).
2.3.1 Associação em série
Ponto conceitual: o significado da palavra ‘série’ significa fila ou sequência, e neste caso faz referência a uma sequência de lâmpadas, como um pisca-pisca. Nesta associação existe apenas um caminho para que a corrente elétrica possa “fluir”, a partir disso todos os elementos resistivos são percorridos pela mesma corrente elétrica (i), diferente da tensão que é dividida entre os elementos resistivos do circuito em série (PIETROCOLA; et al., 2016)
Neste experimento os resultados não foram os esperados (figura 12), após o primeiro experimento (figura 11) foi necessário lixar novamente o cobre e o alumínio, pois ambos tinham sofrido reações químicas, o cobre sofreu redução (que é o ganho de elétrons) e o alumínio oxidação (perda de elétrons), de um modo completo ocorreu um processo de oxirredução, que é quando ocorre a redução e oxidação simultaneamente.
No experimento da figura 12, como não obtivemos resultado satisfatório, foi necessário tentar entender o porquê, como não conseguimos a resposta então efetuamos um novo teste (figura 13), neste teste acrescentamos uma nova pilha, com a hipótese de que se caso aumenta-se a quantidade de geradores químicos (pilhas) a tensão (U) seria maior e assim os LEDs poderiam acender, mas como é perceptível na imagem abaixo não conseguimos obter novamente o resultado esperado.
figura 13
Fonte: elaborado pelos alunos
A partir de então não desistimos, retiramos um dos LEDs e então ligamos os dois fios (que antes ligavam no LED), o resultado foi o seguinte (figura 14):
figura 14
Fonte: elaborado pelos alunos
Com o resultado do experimento compreendemos que tal fenômeno deve ter ocorrido por uma simples hipótese, o LED (do qual foi retirado) não estava conseguindo compartilhar os elétrons que ganhava das pilhas, o que resultou no que podemos constatar pelas imagens.
2.3.2 Associação em paralelo
Ponto conceitual: no caso das associações em paralelo o que acontece é o contrário das associações em série, pois como existem mais de um caminho para o fluxo das cargas elétricas, a tensão é fornecida de modo igual (tanto para uma lâmpada ou LED quanto para a outra, das quais estão conectadas ao circuito) para todos os elementos resistivos do circuito em paralelo, por outro lado, a corrente elétrica é dividida entre os elementos do circuito (PIETROCOLA; et al., 2016).
Nesta experiência os resultados foram bem-sucedidos, diferente da associação em série, neste caso foi utilizado dois tubetes (preparados como visto anteriormente) que se interligaram por meio de um fio e dois outros saíram de ambas as pilhas (como também foi descrito anteriormente), em suas extremidades ligaram-se mais dois fios (em ambos os fios) que serviram para se conectar aos dois LEDs, o mesmo processo ocorreu do outro lado (na outra extremidade). O processo realizado abaixo (figura 15) foi feito seguindo os modelos do livro didático do terceiro ano do ensino médio ‘Física em Contextos’ (assim também como a associação em série e o circuito simples).
figura 15
Fonte: elaborado pelos alunos
Resultados e Discussão
Tabela 3.1: resultados obtidos através de experimentos
Eletrólitos Voltagem
Vinagre 0,48 V
Água sanitária 1,7 V
Água e sal 0,5 V
Caso especial: H2O (Água) 1,47 V
Como já foi abordado anteriormente, para analisarmos estas três soluções efetuamos os passos já ditos o fator principal aqui foi a posse de um multímetro para a realização dos valores (resultados) obtidos acima.
Nos outros três últimos ensaios (circuito simples, associação em série e em paralelo) realizados não utilizamos multímetro ou qualquer outro material de medida, o que foi realizado foi apenas a confecção e o resultado final, do qual se esperava ser igual ao do livro didático (Física em Contextos) do terceiro ano do ensino médio.
Conclusão
Este trabalho de pesquisa foi bastante importante para observarmos o mundo a partir de uma visão diferente, através do telescópio do conhecimento. No início deste trabalho a falta de experiência foi um fator inibidor para os possíveis erros e/ou incompetências que, talvez se tenha feito perceptíveis de serem analisados no decorrer deste relatório. Algumas aventuras, fatos e situações interessantes foram vistas a partir deste trabalho de pesquisa, como numa imagem (figura 16) abaixo:
figura 16
Fonte: elaborado pelos alunos
O que se mostra ser interessante nesta imagem é o momento em que ela foi fotografada, pois, neste momento o cobre e o alumínio de uma das pilhas estavam em contato, só que mesmo assim o LED (apenas um) acendeu, com toda a certeza de que esta parte do trabalho se mostrou com um grande ar de dúvidas mas, mesmo assim (com todos os erros) decidimos concluir nosso trabalho e este relatório, do qual deu muito trabalho para ser criado.
Por fim, temos a plena consciência de que este trabalho poderia ter saído melhor se fosse empenhado mais esforço e muito estudo, naturalmente este erro é apenas nosso (autores), concluímos que, mesmo com os nossos possíveis erros o que realmente importa é, antes de desistir tentar, isto é algo que iremos levar para o resto de nossas vidas acadêmicas, profissionais e pessoais.
Referências
(FOGAçA, Jennifer Rocha Vargas. "História das pilhas"; Brasil Escola. Disponível em <https://brasilescola.uol.com.br/quimica/historia-das-pilhas.htm>. Acesso em 18 de abril de 2019.)
(FOGAçA, Jennifer Rocha Vargas. "Pilhas"; Brasil Escola. Disponível em
<https://brasilescola.uol.com.br/quimica/pilhas.htm>. Acesso em 18 de abril de 2019)
(BONJORNO; et al. Física Completa. 2 ed. São Paulo: FTD, 2001)
(PIETROCOLA; et al. Física em contextos. 1 ed. São Paulo: Editora do Brasil, 2016)
Nenhum comentário:
Postar um comentário