21.2: Força eletromotriz - Tensão terminal
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objetivos de aprendizagem
Ao final desta seção, você poderá:
- Compare e contraste a tensão e a força eletromagnética de uma fonte de energia elétrica.
- Descreva o que acontece com a tensão, a corrente e a potência do terminal fornecidas a uma carga à medida que a resistência interna da fonte de tensão aumenta (devido ao envelhecimento das baterias, por exemplo).
- Explique por que é benéfico usar mais de uma fonte de tensão conectada em paralelo.
Quando você se esquece de desligar as luzes do carro, elas diminuem lentamente à medida que a bateria acaba. Por que eles simplesmente não piscam quando a energia da bateria acaba? Seu escurecimento gradual implica que a tensão de saída da bateria diminui à medida que a bateria se esgota.
Além disso, se você conectar um número excessivo de luzes de 12 V em paralelo à bateria de um carro, elas ficarão fracas mesmo quando a bateria estiver nova e mesmo que os fios das luzes tenham uma resistência muito baixa. Isso implica que a tensão de saída da bateria é reduzida pela sobrecarga.
A razão para a diminuição da tensão de saída de baterias descarregadas ou sobrecarregadas é que todas as fontes de tensão têm duas partes fundamentais: uma fonte de energia elétrica e uma resistência interna. Vamos examinar os dois.
Força eletromotriz
Você pode pensar em muitos tipos diferentes de fontes de tensão. As baterias em si vêm em muitas variedades. Existem muitos tipos de geradores mecânicos/elétricos, acionados por muitas fontes de energia diferentes, desde a nuclear até a eólica. As células solares criam voltagens diretamente da luz, enquanto os dispositivos termoelétricos criam tensão a partir das diferenças de temperatura.
Algumas fontes de tensão são mostradas na Figura\(\PageIndex{1}\). Todos esses dispositivos criam uma diferença de potencial e podem fornecer corrente se conectados a uma resistência. Em pequena escala, a diferença de potencial cria um campo elétrico que exerce força sobre as cargas, causando corrente. Assim, usamos o nome força eletromotriz, abreviado emf.
Emf não é uma força; é um tipo especial de diferença de potencial. Para ser mais preciso, a força eletromotriz (emf) é a diferença de potencial de uma fonte quando nenhuma corrente está fluindo. As unidades de emf são volts.
A força eletromotriz está diretamente relacionada à fonte da diferença de potencial, como a combinação específica de produtos químicos em uma bateria. No entanto, o emf difere da saída de tensão do dispositivo quando a corrente flui. A voltagem nos terminais de uma bateria, por exemplo, é menor do que o emf quando a bateria fornece corrente e diminui ainda mais à medida que a bateria se esgota ou é carregada. No entanto, se a tensão de saída do dispositivo puder ser medida sem corrente de extração, a tensão de saída será igual a emf (mesmo para uma bateria muito esgotada).
Resistência interna
Conforme observado anteriormente, uma bateria de caminhão de 12 V é fisicamente maior, contém mais carga e energia e pode fornecer uma corrente maior do que uma bateria de motocicleta de 12 V. Ambas são baterias de chumbo-ácido com EMF idêntico, mas, devido ao seu tamanho, a bateria do caminhão tem uma resistência interna menor\(r\). A resistência interna é a resistência inerente ao fluxo de corrente dentro da própria fonte.
A figura\(\PageIndex{2}\) é uma representação esquemática das duas partes fundamentais de qualquer fonte de tensão. O emf (representado pelo script E na figura) e a resistência interna\(r\) estão em série. Quanto menor a resistência interna de um determinado emf, mais corrente e mais energia a fonte pode fornecer.
A resistência interna\(r\) pode se comportar de forma complexa. Conforme observado,\(r\) aumenta à medida que a bateria se esgota. Mas a resistência interna também pode depender da magnitude e direção da corrente através de uma fonte de tensão, de sua temperatura e até mesmo de sua história. A resistência interna das células recarregáveis de níquel-cádmio, por exemplo, depende de quantas vezes e quão profundamente elas foram esgotadas.
COISAS GRANDES E PEQUENAS: A ORIGEM SUBMICROSCÓPICA DO POTENCIAL DA BATERIA
Vários tipos de baterias estão disponíveis, com emfs determinados pela combinação de produtos químicos envolvidos. Podemos ver isso como uma reação molecular (o que é a maior parte da química) que separa a carga.
A bateria de chumbo-ácido usada em carros e outros veículos é um dos tipos mais comuns. Uma única célula (uma das seis) dessa bateria é mostrada na Figura\(\PageIndex{3}\). O terminal catódico (positivo) da célula é conectado a uma placa de óxido de chumbo, enquanto o terminal anódico (negativo) é conectado a uma placa de chumbo. Ambas as placas são imersas em ácido sulfúrico, o eletrólito do sistema.
Os detalhes da reação química são deixados para o leitor prosseguir em um texto de química, mas seus resultados em nível molecular ajudam a explicar o potencial criado pela bateria. A figura\(\PageIndex{4}\) mostra o resultado de uma única reação química. Dois elétrons são colocados no ânodo, tornando-o negativo, desde que o cátodo forneça dois elétrons. Isso deixa o cátodo carregado positivamente, porque perdeu dois elétrons. Resumindo, a separação da carga foi impulsionada por uma reação química.
Observe que a reação não ocorrerá a menos que haja um circuito completo para permitir que dois elétrons sejam fornecidos ao cátodo. Em muitas circunstâncias, esses elétrons vêm do ânodo, fluem através de uma resistência e retornam ao cátodo. Observe também que, como as reações químicas envolvem substâncias com resistência, não é possível criar o emf sem uma resistência interna.
Por que os produtos químicos são capazes de produzir uma diferença de potencial única? As descrições mecânicas quânticas das moléculas, que levam em consideração os tipos de átomos e o número de elétrons neles, são capazes de prever os estados de energia que elas podem ter e as energias das reações entre elas.
No caso de uma bateria de chumbo-ácido, uma energia de 2 eV é dada a cada elétron enviado ao ânodo. A tensão é definida como a energia potencial elétrica dividida pela carga:\(V = \frac{P_E}{q}\). Um elétron volt é a energia dada a um único elétron por uma voltagem de 1 V. Portanto, a voltagem aqui é 2 V, já que 2 eV são dados a cada elétron. É a energia produzida em cada reação molecular que produz a voltagem. Uma reação diferente produz uma energia diferente e, portanto, uma voltagem diferente.
Tensão terminal
A saída de tensão de um dispositivo é medida em seus terminais e, portanto, é chamada de tensão terminal,\(V\). Terminal voltage is given by \[V = emf - Ir,\] where \(r\) is the internal resistance and \(I\) é a corrente que flui no momento da medição.
\(I\) é positivo se a corrente fluir para fora do terminal positivo, conforme mostrado na Figura\(\PageIndex{2}\). Você pode ver que quanto maior a corrente, menor a tensão do terminal. E também é verdade que quanto maior a resistência interna, menor a tensão do terminal.
Suponha que uma resistência de carga\(R_{load}\) esteja conectada a uma fonte de tensão, como na Figura\(\PageIndex{5}\). Como as resistências estão em série, a resistência total no circuito é\(R_{load} + r\). Assim, a corrente é dada pela lei de Ohm para ser\[I = \dfrac{emf}{R_{load} + r}.\]
Vemos nessa expressão que quanto menor a resistência interna\(r\), maior a corrente que a fonte de tensão fornece à sua carga\(R_{load}\). À medida que as baterias se esgotam,\(r\) aumenta. Se\(r\) se tornar uma fração significativa da resistência da carga, a corrente é significativamente reduzida, como ilustra o exemplo a seguir.
Exemplo\(\PageIndex{1}\): Calculating Terminal Voltage, Power Dissipation, Current, and Resistance: Terminal Voltage and Load
Uma determinada bateria tem um emf de 12,0 V e uma resistência interna de\(0.100 \, \Omega\). (a) Calcule a tensão do terminal quando conectado a uma\(10.0 \, \Omega\) carga. (b) Qual é a tensão do terminal quando conectado a uma\(0.500 \, \Omega\) carga? (c) Qual potência a\(0.500 \, \Omega\) carga dissipa? (d) Se a resistência interna aumentar para\(0.500 \, \Omega\) encontrar a corrente, a tensão do terminal e a potência dissipadas por uma\(0.500 \, \Omega\) carga.
Estratégia
A análise acima deu uma expressão para corrente quando a resistência interna é levada em consideração. Depois que a corrente é encontrada, a tensão do terminal pode ser calculada usando a equação\(V = emf - Ir\). Uma vez encontrada a corrente, a energia dissipada por um resistor também pode ser encontrada.
Solução para (a)
Inserir os valores fornecidos para o emf, a resistência de carga e a resistência interna na expressão acima resulta\[I = \dfrac{emf}{R_{load} + r} = \dfrac{12.0 \, V}{10.1 \, \Omega} = 1.188 \, A.\]
Insira os valores conhecidos na equação\(V = emf - Ir\) para obter a tensão do terminal:\[V = emf - Ir = 12.0 \, V - (1.188 \, A)(0.100 \, \Omega)\]\[= 11.0 \, V.\]
Discussão para (a)
A tensão do terminal aqui é apenas um pouco menor que a emf, o que implica que\(10.0 \, \Omega\) é uma carga leve para essa bateria em particular.
Solução para (b)
Da mesma forma, com\(R_{load} = 0.500 \, \Omega\), a corrente é\[I = \dfrac{emf}{R_{load} + r} = \dfrac{12.0 \, V}{0.600 \, \Omega} = 20.0 \, A.\]
A tensão do terminal é agora\[V = emf - Ir = 12.0 \, V - (20.0 \, A)(0.100 \, \Omega)\]\[= 10.0 \, V.\]
Discussão para (b)
Essa tensão terminal apresenta uma redução mais significativa em comparação com o emf, o que implica\(0.500 \, \Omega\) uma carga pesada para esta bateria.
Solução para (c)
A potência dissipada pela\(0.500 \, \Omega\) carga pode ser encontrada usando a fórmula\(P = I^2 R\). A inserção dos valores conhecidos fornece\[P_{load} = I^2R_{load} = (20.0 \, A)^2(0.500 \, \Omega) = 2.00 \times 10^2 \, W.\]
Discussão para (c)
Observe que essa potência também pode ser obtida usando as expressões\(\frac{V^2}{R}\) ou\(IV\), onde\(V\) está a tensão do terminal (10,0 V neste caso).
Solução para (d)
Aqui, a resistência interna aumentou, talvez devido ao esgotamento da bateria, a ponto de ser tão grande quanto a resistência da carga. Como antes, primeiro encontramos a corrente inserindo os valores conhecidos na expressão, produzindo\[I = \dfrac{emf}{R_{load} + r} = \dfrac{12.0 \, V}{1.00 \, \Omega} = 12.0 \, A.\]
Agora, a tensão do terminal é\[V = emf - Ir = 12.0 \, V - (12.0 \, A)(0,500 \, \Omega)\]\[= 6.00 \, V,\] e a energia dissipada pela carga é\[P_{load} = I^2R_{load} = (12.0 \, A)^2(0.500 \, \Omega) = 72.0 \, W.\]
Discussão para (d)
Vemos que o aumento da resistência interna diminuiu significativamente a tensão, a corrente e a potência do terminal fornecidas a uma carga.
Os testadores de bateria, como os da Figura\(\PageIndex{6}\), usam resistores de carga pequenos para extrair corrente intencionalmente e determinar se a tensão do terminal cai abaixo de um nível aceitável. Eles realmente testam a resistência interna da bateria. Se a resistência interna for alta, a bateria estará fraca, conforme evidenciado pela baixa tensão do terminal.
Algumas baterias podem ser recarregadas passando uma corrente através delas na direção oposta à corrente que elas fornecem a uma resistência. Isso é feito rotineiramente em carros e baterias para pequenos aparelhos elétricos e dispositivos eletrônicos, e é representado pictorialmente na Figura\(\PageIndex{7}\). A saída de tensão do carregador de bateria deve ser maior que o emf da bateria para reverter a corrente através dele. Isso fará com que a tensão terminal da bateria seja maior que o emf, pois\(V = emf - Ir\), e agora\(I\) é negativa.
Várias fontes de tensão
Há duas fontes de voltagem quando um carregador de bateria é usado. As fontes de tensão conectadas em série são relativamente simples. Quando as fontes de tensão estão em série, suas resistências internas aumentam e seus emfs aumentam algebricamente. (Veja a Figura\(\PageIndex{8}\).) Conexões em série de fontes de tensão são comuns, por exemplo, em lanternas, brinquedos e outros aparelhos. Normalmente, as células estão em série para produzir um emf total maior.
Mas se as células se opõem, como quando uma é colocada em um aparelho ao contrário, o emf total é menor, pois é a soma algébrica dos emfs individuais.
Uma bateria é uma conexão múltipla de células voltaicas, conforme mostrado na Figura\(\PageIndex{9}\). A desvantagem das conexões em série das células é que suas resistências internas aumentam. Um dos autores já possuiu uma MGA de 1957 que tinha duas baterias de 6 V em série, em vez de uma única bateria de 12 V. Esse arranjo produziu uma grande resistência interna que lhe causou muitos problemas na partida do motor.
Se a conexão em série de duas fontes de tensão for feita em um circuito completo com os emfs em oposição, então uma corrente de magnitude\(I = \frac{(emf_1 - emf_2)}{r_1 + r_2}\) flui. Veja a Figura\(\PageIndex{10}\), por exemplo, que mostra um circuito exatamente análogo ao carregador de bateria discutido acima. Se duas fontes de tensão em série com emfs no mesmo sentido estiverem conectadas a uma carga\(R_{load}\), como na Figura\(\PageIndex{11}\), então\(I = \frac{(emf_1 + emf_2)}{r_1 + r_2 + R_{load}}\) fluem.
EXPERIÊNCIA PARA LEVAR PARA CASA: PILHAS DE LANTERNA
Encontre uma lanterna que use várias baterias e encontre baterias novas e antigas. Com base nas discussões deste módulo, preveja o brilho da lanterna quando diferentes combinações de baterias forem usadas. Suas previsões correspondem ao que você observa? Agora coloque as pilhas novas na lanterna e deixe-a ligada por várias horas. A lanterna ainda está bem clara? Faça o mesmo com as baterias antigas. A lanterna fica tão brilhante quando é deixada ligada pelo mesmo período de tempo com baterias antigas e novas? O que isso diz sobre o caso em que você está limitado no número de novas baterias disponíveis?
A figura\(\PageIndex{12}\) mostra duas fontes de tensão com EMFS idênticos em paralelo e conectadas a uma resistência de carga. Nesse caso simples, o emf total é o mesmo que os emfs individuais. Mas a resistência interna total é reduzida, pois as resistências internas estão paralelas. A conexão paralela, portanto, pode produzir uma corrente maior.
Aqui\(I = \frac{emf}{(r_{tot} + R_{load})}\) flui através da carga e\(r_{tot}\) é menor do que as das baterias individuais. Por exemplo, alguns carros movidos a diesel usam duas baterias de 12 V em paralelo; eles produzem um emf total de 12 V, mas podem fornecer a maior corrente necessária para iniciar um motor a diesel.
Animais como detectores elétricos
Vários animais produzem e detectam sinais elétricos. Peixes, tubarões, ornitorrincos e equidnas (tamanduás espinhosos) detectam campos elétricos gerados pela atividade nervosa nas presas. As enguias elétricas produzem seu próprio emf por meio de células biológicas (órgãos elétricos) chamadas eletroplacas, que são dispostas em série e paralelamente como um conjunto de baterias.
As placas elétricas são células planas em forma de disco; as da enguia elétrica têm uma voltagem de 0,15 V em cada uma. Essas células geralmente estão localizadas em direção à cabeça ou cauda do animal, embora, no caso da enguia elétrica, sejam encontradas ao longo de todo o corpo. As placas elétricas da enguia sul-americana estão dispostas em 140 fileiras, com cada fileira se estendendo horizontalmente ao longo do corpo e contendo 5.000 eletroplacas. Isso pode produzir um emf de aproximadamente 600 V e uma corrente de 1 A - mortal.
O mecanismo de detecção de campos elétricos externos é semelhante ao de produzir sinais nervosos na célula por meio da despolarização e repolarização - o movimento dos íons pela membrana celular. Dentro dos peixes, campos elétricos fracos na água produzem uma corrente em um canal cheio de gel que vai da pele às células sensoras, produzindo um sinal nervoso. O ornitorrinco australiano, um dos poucos mamíferos que põem ovos, pode detectar campos de 30\(\frac{mV}{m}\), enquanto os tubarões conseguem sentir um campo em seus focinhos tão pequeno quanto 100\(\frac{mV}{m}\) (Figura\(\PageIndex{13}\)). As enguias elétricas usam seus próprios campos elétricos produzidos pelas placas elétricas para atordoar suas presas ou inimigos.
Matrizes de células solares
Outro exemplo de como lidar com várias fontes de tensão é o de combinações de células solares - conectadas em combinações em série e paralelas para produzir a tensão e a corrente desejadas. A geração fotovoltaica (PV), a conversão da luz solar diretamente em eletricidade, é baseada no efeito fotoelétrico, no qual os fótons que atingem a superfície de uma célula solar criam uma corrente elétrica na célula.
A maioria das células solares é feita de silício puro, seja como silício monocristalino ou como uma fina película de silício depositada sobre um suporte de vidro ou metal. A maioria das células individuais tem uma saída de tensão de cerca de 0,5 V, enquanto a saída de corrente é uma função da quantidade de luz solar sobre a célula (a radiação solar incidente - a insolação). Sob a luz solar intensa do meio-dia, uma corrente de cerca\(100 \, mA/cm^2\) da área da superfície celular é produzida por células monocristalinas típicas.
Células solares individuais são conectadas eletricamente em módulos para atender às necessidades de energia elétrica. Eles podem ser conectados juntos em série ou em paralelo, como as baterias discutidas anteriormente. Um conjunto ou módulo de células solares geralmente consiste de 36 a 72 células, com uma potência de 50 W a 140 W.
A saída das células solares é de corrente contínua. Para a maioria dos usos em residências, é necessário AC, portanto, um dispositivo chamado inversor deve ser usado para converter o DC em AC. Qualquer saída extra pode então ser passada para a rede elétrica externa para venda à concessionária.
EXPERIMENTO PARA LEVAR PARA CASA: CÉLULAS SOLARES VIRTUAIS
Pode-se montar um conjunto de células solares “virtual” usando cartas de baralho, cartões comerciais ou de índice, para representar uma célula solar. Combinações dessas placas em série e/ou em paralelo podem modelar a saída de matriz necessária. Suponha que cada placa tenha uma saída de 0,5 V e uma corrente (sob luz forte) de 2 A. Usando suas placas, como você as organizaria para produzir uma saída de 6 A a 3 V (18 W)?
Suponha que você tenha sido informado de que precisava de apenas 18 W (mas sem tensão necessária). Você precisaria de mais cartas para fazer esse arranjo?
Resumo
- Todas as fontes de tensão têm duas partes fundamentais: uma fonte de energia elétrica que tem uma força eletromotriz (emf) característica e uma resistência interna\(r\).
- O emf é a diferença de potencial de uma fonte quando nenhuma corrente está fluindo.
- O valor numérico do emf depende da fonte da diferença de potencial.
- A resistência interna\(r\) de uma fonte de tensão afeta a tensão de saída quando uma corrente flui.
- A saída de tensão de um dispositivo é chamada de tensão terminal\(V\) e é dada por\(V = emf - Ir\), onde\(I\) está a corrente elétrica e é positiva quando se afasta do terminal positivo da fonte de tensão.
- Quando várias fontes de tensão estão em série, suas resistências internas aumentam e seus emfs aumentam algebricamente.
- As células solares podem ser conectadas em série ou em paralelo para fornecer maior tensão ou corrente, respectivamente.
Glossário
- força eletromotriz (emf)
- a diferença de potencial de uma fonte de eletricidade quando nenhuma corrente está fluindo; medida em volts
- resistência interna
- a quantidade de resistência dentro da fonte de tensão
- diferença de potencial
- a diferença no potencial elétrico entre dois pontos em um circuito elétrico, medido em volts
- tensão terminal
- a tensão medida nos terminais de uma fonte de diferença de potencial