A bateria de chumbo-ácido de 12V para automóveis. Estas baterias grandes e bastante pesadas são utilizadas em todos os veículos com motor de combustão do planeta. São uma parte essencial do veículo. O que faz e como funciona? É isso que vamos abordar neste artigo, que é patrocinado pela Squarespace. Vá a squarespace.com para iniciar o seu teste gratuito ou utilize o código engineeringmindset para poupar 10% em websitese domínios.

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O que é uma bateria de automóvel?

A bateria de 12V de um automóvel tem mais ou menos o seguinte aspeto.

Trata-se de uma pilha de chumbo-ácido. Chamamos-lhe pilha de chumbo-ácido porque no interior da unidade existem placas de chumbo que são mergulhadas num ácido, o que cria uma reação química que liberta energia e nos fornece uma tensão e uma corrente.

A pilha armazena, portanto, energia sob a forma de energia química, não armazenando eletricidade. Esta energia química é convertida em energia eléctrica sempre que precisamos dela. Esta pilha também é recarregável, se lhe fornecermos eletricidade, podemos inverter a reação química e recarregar a pilha.

Estes tipos de pilhas podem fornecer grandes quantidades de corrente, especialmente em comparação com as pilhas alcalinas domésticas típicas, mais pequenas.

Já falámos sobre o funcionamento das pilhas alcalinas no nosso artigo anterior. AQUI.

Porque é que uma bateria é utilizada num automóvel?

A bateria típica de um automóvel encontra-se no compartimento do motor do automóvel. A bateria é utilizada em primeiro lugar para ligar o motor e fá-lo fornecendo eletricidade a um pequeno motor elétrico conhecido como motor de arranque. Também fornece eletricidade ao sistema de ignição para iniciar a combustão do combustível.

O motor de arranque engata uma pequena engrenagem no volante do motor, que gira para fazer rodar a cambota que põe o motor de combustão a funcionar, a pequena engrenagem desengata-se e o motor funciona sozinho. O motor de arranque tem de fornecer uma enorme quantidade de força para poder rodar o volante do motor, pelo que o motor de arranque consome uma corrente extremamente elevada, possivelmente centenas de amperes, mas apenas durante umEsta grande corrente vai reduzir a energia armazenada na bateria, pelo que temos de a recarregar.

Ligado ao motor está um alternador. O alternador é rodado pelo motor e, à medida que roda, gera eletricidade, que é devolvida à bateria para a recarregar.

Quando o motor está a funcionar, o alternador recarrega a bateria, mas também fornece a energia eléctrica para coisas como a iluminação e o sistema de música. Quando a procura de eletricidade excede o que o alternador pode fornecer, a bateria fornecerá a energia adicional, o que volta a esgotar a bateria.

Se o motor estiver desligado, o alternador deixa de rodar e de recarregar a bateria, pelo que a bateria fornecerá toda a energia eléctrica até ficar descarregada. Nesta altura, a bateria não pode fornecer eletricidade suficiente para ligar o motor, pelo que é necessário ligar o carro.

Partes principais

Vejamos as principais partes de uma bateria de automóvel e, em seguida, compreenderemos o seu funcionamento.

Em primeiro lugar, temos a caixa de plástico que contém todos os componentes internos. Na parte superior, temos a tampa de plástico e existem dois terminais, um positivo e um negativo, que são designados por bornes.

Ao remover a tampa, podemos ver o interior. Repare que a caixa está dividida em 6 câmaras separadas por uma parede de plástico. Cada câmara é conhecida como célula. Cada célula gera cerca de 2,1 volts de corrente contínua ou DC. Cada célula está ligada em série, o negativo de uma célula está ligado ao positivo da célula seguinte, para nos dar uma tensão total de cerca de 12,6V.

É como se ligássemos pilhas alcalinas domésticas umas às outras, as suas tensões somam-se para fornecer uma tensão total mais elevada.

Cada célula da bateria é ligada através de uma cinta de placa, feita de chumbo, que é soldada através da parede de plástico para formar a ligação.

Quando olhamos para a pilha deste ponto de vista, vemos que a corrente flui através das células da pilha, do positivo para o negativo, e isto utilizando a teoria convencional da corrente. O que realmente acontece é que os electrões fluem na direção oposta, do negativo para o positivo. Mas falaremos disso um pouco mais tarde neste artigo.

Repare que em cada célula existem duas placas, uma positiva e outra negativa, que se designam por placas porque cada placa está ligada a um conjunto de placas, que são folhas de chumbo.

As placas são formadas em estruturas do tipo grelha que maximizam a área de superfície. As grelhas são revestidas com uma pasta de óxido de chumbo. A pasta é onde ocorre a reação química e veremos isso um pouco mais adiante no artigo. A pasta actua um pouco como uma esponja e vai absorver algum do líquido do eletrólito, o que melhora o desempenho da bateria. O tamanho da placa determina a quantidade de correnteOs materiais utilizados e o número de placas determinam a tensão produzida por cada célula. A grelha mantém a pasta no lugar para garantir uma distribuição uniforme da corrente através da placa e ajuda a transportar os electrões para fora da bateria e à volta do circuito elétrico.

A placa negativa é o ânodo e é uma placa de chumbo puro, embora sejam adicionadas pequenas quantidades de aditivos para endurecer o chumbo e protegê-lo da corrosão. A placa positiva é o cátodo e é feita de óxido de chumbo. As placas são feitas de materiais diferentes para formar a reação química e libertar electrões. Não queremos que as placas positivas e negativas entrem em contacto comEm vez disso, colocamos cada placa positiva num separador de envelopes, um material poroso que permite a passagem dos iões sem que os materiais entrem em contacto direto uns com os outros.

As placas positivas e negativas ficam entre si, com um pequeno espaço entre elas. A câmara é então preenchida com um líquido eletrolítico de ácido sulfúrico e água. Por isso, a bateria é chamada de bateria de chumbo-ácido.

Fundamentos de eletricidade

Queremos recapitular rapidamente os fundamentos da eletricidade para que compreenda a parte seguinte do funcionamento da bateria.

A eletricidade é o fluxo de electrões num circuito. Precisamos que muitos electrões fluam na mesma direção através de um fio para podermos colocar objectos no caminho dos electrões, como lâmpadas. Os electrões terão de passar através deles e, ao fazê-lo, produzem luz. Quando muitos electrões fluem na mesma direção, chamamos a isto corrente.

Todos os materiais são constituídos por átomos. Os átomos têm diferentes números de protões, neutrões e electrões, o que torna o material diferente. Alguns materiais, como o cobre, têm um eletrão que é livre de se deslocar para outros átomos. Se ligarmos uma fonte de alimentação, como uma bateria, ao fio de cobre, a tensão empurrará os electrões, que se apressarão a chegar ao terminal positivo da bateria.

Dissemos que os electrões fluem do negativo para o positivo. Isto é conhecido como fluxo de electrões, é uma teoria de como a eletricidade funciona e é o que está realmente a ocorrer. Mas, pode estar habituado a ver a corrente convencional que é do positivo para o negativo, esta é a teoria original que é conhecida como corrente convencional. Isto foi provado errado por Joseph Thompson que descobriu o eletrão edescobriram que fluem do negativo para o positivo.

Se olharmos para este circuito simples, devemos sempre assumir que a corrente está a fluir do positivo para o negativo, mas os engenheiros e cientistas sabem que os electrões fluem na realidade na direção oposta. As fórmulas eléctricas que utilizamos continuarão a dar as mesmas respostas, independentemente da direção em que os electrões fluem.a eletricidade está a fluir, por isso não importa.

Existem dois tipos de eletricidade: a corrente contínua, que obtemos através das pilhas e baterias. Neste tipo de eletricidade, os electrões são empurrados numa só direção, pelo que se designa por corrente contínua. Pense nisto como a água a correr num rio. O outro tipo de eletricidade é a corrente alternada, que obtemos através das tomadas eléctricas das nossas casas. Neste tipo de eletricidade, os electrões são empurrados e puxados para a frente e para trás.Pense neste tipo como a maré do mar a entrar e a sair.

Quando misturamos certos materiais, podemos provocar reacções químicas. Isto acontece quando os átomos de um material interagem com os átomos de outro material. Durante esta interação, os átomos ligam-se ou separam-se. Os electrões também podem ser libertados ou capturados pelos átomos durante a reação.

Quando falamos de átomos, normalmente ouvimos o termo ião. Um ião é um átomo que tem um número desigual de protões ou de electrões. Um átomo tem uma alteração neutra quando tem o mesmo número de protões e de electrões, porque os protões têm uma carga positiva e os electrões têm uma carga negativa, pelo que se equilibram. Se o átomo tiver mais electrões do que protões, então é um ião negativo.o átomo tem mais protões do que electrões, é um ião positivo.

Como funciona

Em vez de tentarmos compreender esta construção complexa, vamos simplificá-la para este modelo simples de uma célula com um único cátodo e um único ânodo.

Nesta célula temos o eletrólito líquido que é 1/3 de ácido sulfúrico e 2/3 de água.

Temos o elétrodo positivo, que é o cátodo, feito de óxido de chumbo (PbO ₂ )

Temos então o elétrodo positivo, que é o ânodo, feito de chumbo puro (Pb)

Quando estes materiais são combinados, vamos ter uma pequena reação química entre os átomos. Vamos mostrar os átomos destes materiais com estas esferas coloridas.

O terminal catódico positivo do óxido de chumbo (PbO ₂ ) vai reagir com o sulfato (SO ₄ -2) no eletrólito, formando uma camada de sulfato de chumbo (PbSO4) no terminal catódico. Durante esta reação, um ião de oxigénio (O ₂ Uma vez no eletrólito, estes iões de oxigénio combinam-se com os iões de hidrogénio (H+) para formar água (H ₂ O).

Ao mesmo tempo, os átomos de chumbo no ânodo vão reagir com os iões de sulfato (SO ₄ -2) no eletrólito. Esta reação criará uma camada de sulfato de chumbo (PbSO ₄ Durante esta reação, dois electrões são libertados e acumulam-se no terminal negativo.

Como os electrões têm carga negativa, isto significa que temos uma diferença de carga entre os dois terminais e podemos medi-la com um voltímetro ou multímetro.

Se pensarmos num íman, as extremidades opostas atraem-se e as extremidades iguais repelem-se. Os electrões têm carga negativa e, por isso, repelem-se mutuamente, sendo atraídos para o terminal positivo, que tem menos electrões. Mas não conseguem chegar lá. Se fornecermos um caminho para os electrões, como um fio, então os electrões fluirão através dele para chegar ao terminal positivo. Podemosdepois colocam coisas como uma lâmpada no caminho desses electrões e utilizam-nos para fazer um trabalho como, por exemplo, iluminar a lâmpada.

Enquanto o caminho existir, a reação química continua, mas isso não durará para sempre. Os produtos químicos necessários para a reação vão-se esgotando. O ácido torna-se diluído e mais fraco e uma acumulação de sulfato de chumbo reveste ambos os eléctrodos, o que significa que os materiais se tornam mais semelhantes e, por isso, a reação química torna-se mais difícil de conseguir.

Mas, felizmente, esta reação química pode ser invertida, pelo que, se fornecermos eletricidade à bateria a partir do alternador, podemos começar a inverter a reação.

Os electrões entram no terminal negativo e voltam a juntar-se ao sulfato de chumbo, libertando o sulfato para o eletrólito e deixando apenas o chumbo na placa negativa. Os iões de sulfato entram no eletrólito e combinam-se com o ião hidrogénio para libertar o ião oxigénio, pelo que o ácido do eletrólito se torna mais forte. O ião oxigénio combina-se com o chumbo para criar óxido de chumbo, libertando o sulfato de voltano eletrólito, tornando-o novamente mais forte.

Se deixarmos a pilha descarregar totalmente durante muito tempo ou demasiadas vezes, torna-se muito difícil inverter a reação química. Além disso, a camada de sulfato pode separar-se dos eléctrodos e aclimatar-se no fundo da pilha, o que significa que já não participa na reação química, pelo que a pilha tem de ser reparada ou substituída.

Assim, quando olhamos para a bateria, esta reação química está a ocorrer entre cada placa em cada célula para fornecer as centenas de amperes de corrente para ligar o motor de arranque e também fornecer a tensão para alimentar as luzes, etc. Esta é depois recarregada pelo alternador.

Testar uma bateria de automóvel com um multímetro

Para testar a tensão de uma bateria de automóvel, basta mudar para a definição de tensão CC no nosso multímetro e, em seguida, ligar o cabo vermelho ao positivo e o cabo preto ao negativo. Devemos ver uma tensão de cerca de 12,6 V se for inferior a 12, então a bateria não está a funcionar corretamente.

Quando ligamos o carro, a tensão desce porque o motor de arranque está a puxar uma grande quantidade de corrente. A tensão desce para cerca de 11 volts, se descer abaixo dos 10 volts, então a bateria não está a funcionar corretamente.

Quando o motor está a funcionar, o alternador deve estar a gerar eletricidade e, por isso, devemos ver uma tensão mais elevada, de cerca de 14 volts, porque o alternador está a recarregar a bateria e a tensão precisa de ser mais elevada para ajudar a forçar os electrões a voltarem e a inverter a reação química.

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