Grandezas elétricas usadas para baterias

 

 

As baterias possuem alguns parâmetros básicos que determinam o seu desempenho:

 

 - Corrente Elétrica

 - Tensão Elétrica ou Voltagem

 - Capacidade

 - Taxa C

 - Resistência Interna

 - Potência

 - Energia

 

Muitos usuários de baterias não têm conhecimento de eletricidade. Para aqueles que não conhecem os conceitos básicos de eletricidade iremos descrever resumidamente o que cada um desses parâmetros representa e como influenciam no desempenho das baterias.

 

 

 

Figura 1 – Corrente elétrica

 

Corrente elétrica, é um movimento ordenado de cargas elétricas dentro de um fio de metal. É semelhante a uma corrente de água dentro de uma mangueira. A corrente elétrica é medida em Ampère – abreviada por A. Um miliampère é igual a um Ampère dividido por 1000 (abreviado por mA).

 

 

Uma corrente para se estabelecer em um fio, precisa de uma força externa, ou seja, de algum tipo de ação externa que “empurre” as cargas elétricas e as coloque em movimento, vencendo a resistência dos fios e da carga elétrica. Fazendo uma comparação com um sistema de água, para que haja circulação de água, é necessária uma pressão. Essa pressão vem da caixa de água. É o peso da água que faz a água circular.

 

 

Figura 2 – Tensão elétrica

 

Essa pressão externa ou força externa é denominada tensão elétrica ou voltagem. O equipamento que gera essa força ou pressão externa chama-se gerador.

Uma bateria nada mais é do que um gerador elétrico. A bateria gera tensão elétrica. A tensão elétrica é medida em Volts – abreviada por V.

Quando uma carga (receptor) é ligada na bateria, a tensão da bateria provoca uma corrente. Essa carga pode ser uma lâmpada, um telefone sem fio, um celular. A corrente que vai circular depende da tensão e da carga.

 

 

Figura 3 - Circuito elétrico básico

 

As tensões usuais para os principais tipos de baterias primárias são:

 

 - Baterias de zinco carbono – 1,5V

 - Baterias alcalinas – 1,5V

 - Baterias de lítio-dióxido de manganês – LiMnO₂ – 3V

 - Baterias de lítio-cloreto de tionila – LiSOCl₂ – 3,6V

 - Baterias de lítio-bissulfeto de ferro – LiFeS₂ – 1,5V

 

As tensões usuais para os principais tipos de baterias recarregáveis são:

 

 - Baterias de NiCd – 1,2V

 - Baterias de NiMh – 1,2V

 - Baterias de chumbo-ácido – 2, 4, 6 ou 12V

 - Baterias de Lítio íon –2,8V - 3,2V - 3,6V ou 3,7V

 

 

A capacidade de uma bateria é a corrente que se pode tirar de uma bateria num dado período de tempo ou em outras palavras, quanto maior é a capacidade da bateria, maior é a energia que se pode tirar dela. Mede-se em ampère-hora (Ah) ou miliampère-hora (abreviada mAh).

Por exemplo, uma bateria de 1.300 mAh pode alimentar uma carga com 65 mA durante 20 horas (65 mA x 20 horas = 1.300 mAh). Da mesma forma, uma bateria de 1.300 mAh pode alimentar uma carga com 13 mA durante 100 horas (13 mA x 100 horas = 1.300 mAh).

 

 

 

Figura 4 – Indicador e capacidade da bateria

 

 

A energia de uma bateria é liberada através da corrente elétrica que flui dela, para o equipamento que ela alimenta. A corrente elétrica que flui da bateria, é medida em ampères. Para baterias pequenas, a corrente é medida em miliampère. A capacidade de uma bateria é proporcional à energia contida nela. Quanto maior a capacidade, quanto mais ampères hora ou miliampère hora, maior é a energia armazenada na bateria. A corrente de uma bateria, também pode ser medida através da Taxa C (ou C rate em Inglês). A letra C indica a capacidade da bateria. Uma corrente de 1C indica uma corrente que é numericamente igual à capacidade da bateria.

 

 

Figura 5 – Taxa C da bateria

 

Para uma bateria de 2000 miliampère hora, 1C, significa uma corrente de 2000 miliampère, ou 2 ampères. 2C, significa uma corrente de 4000 miliampère, ou 4 ampères. 10C, significa uma corrente de 20.000 miliampères ou 20 ampères, 20 C, significa uma corrente de 40.000 miliampères ou 40 ampères, e assim por diante. Os fabricantes informam quatro valores de taxa C para a bateria: carga padrão, carga máxima, descarga padrão e descarga máxima ou de pico. Quanto maior a taxa C de carga, mais rápida será a carga da bateria, quanto maior a taxa C de descarga, mais rápida será a descarga da bateria.

 

 

A tensão elétrica medida nos terminais de uma de uma bateria varia quando ela está em vazio e quando ela está alimentando uma carga. Em vazio a tensão é sempre maior do que em carga. Em carga a tensão nos terminais da bateria cai. Os efeitos desta queda de tensão são similares aos de uma resistência em série com a bateria a qual se denomina resistência interna da bateria. O circuito elétrico simplificado equivalente a uma bateria é mostrado na figura 6.

 

 

Figura 6 - Circuito elétrico equivalente da bateria (simplificado)

 

Neste circuito temos:

 

 - Vo = Tensão da bateria em vazio

 - V = Tensão nos terminais da bateria em carga

 - Ri = Resistência interna da bateria

 - R = Resistência da carga

 - I = Corrente da bateria

 

A Lei de Ohm estabelece uma relação entre as grandezas elétricas: tensão (V), corrente (I) e resistência (R) em um circuito. A partir de observações, concluiu-se que o valor de corrente que circula em um circuito pode ser encontrado dividindo-se o valor de tensão aplicada pela sua resistência.

Transformando esta afirmação em equação matemática, tem-se a Lei de Ohm:

 

I =V / R

 

Utiliza-se a Lei de Ohm para determinar os valores de tensão (V), corrente (I) ou resistência (R) em um circuito.

 

Fórmula básica: I = V / R

 

Fórmulas derivadas: R = V / I e V = R x I

                      

 

     Figura 7 – Lei de Ohm

 

Para que as equações decorrentes da Lei de Ohm sejam utilizadas, os valores das grandezas elétricas devem ser expressos nas unidades fundamentais:

 

 - Tensão em volts (V)

 - Corrente em ampères (A)

 - Resistência em ohms ()

 

Como exemplo, no circuito da figura 6, se a tensão em vazio da bateria é de 3,7V, a resistência interna da bateria é 100m (ou 0,1) e a resistência da carga é 0,9, teríamos a seguinte corrente:

 

I =V/R = 3,7 / (0,1+0,9) = 3,7 / 1 = 3,7A

 

A queda de tensão na resistência interna da bateria seria:

 

V = R x I = 0,1 x 3,7 = 0,37V

 

Ou seja, a tensão nos terminais da bateria estando em carga seria:

 

3,7V – 0,37V = 3,33V

 

 

Potência é um conceito que está ligado à ideia de força, intensidade sonora, intensidade luminosa e mesmo gasto de energia num período de tempo.

Ao passar por uma carga instalada em um circuito, a corrente elétrica gerada pela bateria produz, entre outros efeitos, calor, luz e movimento.

Esses efeitos são denominados de trabalho.

 

O trabalho de transformação de energia elétrica em outra forma de energia é realizado pelo consumidor ou pela carga.

Ao transformar a energia elétrica, o consumidor realiza um trabalho elétrico.

O tipo de trabalho depende da natureza do consumidor de energia. Um aquecedor, por exemplo, produz calor; uma lâmpada, luz; um ventilador, movimento.

A capacidade de cada consumidor produzir trabalho, em determinado tempo, a partir da energia elétrica é chamada de potência elétrica.

Para dimensionar corretamente cada componente em um circuito elétrico é preciso conhecer a potência requerida.

 

Potência elétrica é a capacidade de realizar um trabalho numa unidade de tempo, a partir da energia elétrica. A unidade de medida da potência elétrica é o watt, simbolizado pela letra W. Um watt (1W) corresponde à potência desenvolvida no tempo de um segundo em uma carga, alimentada por uma tensão de 1V, na qual circula uma corrente de 1A. A unidade de medida da potência elétrica watt tem múltiplos e submúltiplos:

 

1W = 1000 mW = 0,001 KW

 

A potência elétrica (P) de uma carga alimentada por uma bateria depende da tensão aplicada e da corrente que circula nos seus terminais.

Matematicamente, essa relação é representada pela seguinte fórmula:

 

P = V x I

 

Nessa fórmula V é a tensão entre os terminais da carga expressa em volts (V); I é a corrente circulante, expressa em ampères (A) e P é a potência dissipada expressa em watts (W).

Voltando ao exemplo da figura 6, a potência consumida na carga é de:

 

P = V x I = 3,33 x 3,7 = 12,32W

 

Além desta fórmula básica temos outras fórmulas derivadas:

 

I = P / V

V = P / I

 

Muitas vezes é preciso calcular a potência de um componente e não se dispõe da tensão e da corrente.

Quando não se dispõe da tensão (V) não é possível calcular a potência pela equação P = V x I. Esta dificuldade pode ser solucionada com auxílio da Lei de Ohm, ou seja,

V = R x I

 

P = V x I = R x I x I

 

Assim sendo, pode-se dizer que:

P = R x I²

 

No exemplo da figura 6, temos: P = 0,9 x 3,7 x 3,7 = 12,32W

 

Esta equação pode ser usada para determinar a potência de um componente.

É conhecida como equação da potência por efeito joule, que é o efeito térmico produzido pela passagem de corrente elétrica através de uma resistência.

Ainda usando a lei de ohm, temos mais uma fórmula derivada para cálculo da potência:

 

P = V x I = V x V/ R

 

P = V² / R

 

 

A energia contida numa bateria pode ser calculada pela fórmula:

 

E = P x T

 

Onde:

 

 - E = Energia (Wh)

 - P = Potência (W)

 - T = Tempo (h)

 

A unidade de medida da energia elétrica é o Wh (watt hora). Uma bateria que é capaz de fornecer 10W por 1 hora tem uma energia de 10Wh. Se considerarmos que:

 

P = V x I

 

Temos a seguinte fórmula para cálculo da energia:

 

E = P x T = V x I x T

Se considerarmos que:

 

C = I x T

 

Onde:

 

 - C = Capacidade (Ah)

 - I = Corrente (A)

 - T é o Tempo (h)

 

Temos que:

 

E= V x I x T = V x C

 

No exemplo da figura 6, se a bateria consegue manter a corrente de 3,7 A durante 2 horas, podemos calcular:

 

C = I x T = 3,7 x 2 = 7,4 Ah

 

E = V * C = 3,33 x 7,4 = 24,64 Wh