ArticlePDF Available

Associação de pilhas em paralelo. Onde e quando a usamos?

Authors:

Abstract

Argumenta-se que força eletromotriz não pode ser confundida com diferença de potencial elétrico entre os terminais de uma fonte. As associações em série e em paralelo de pilhas são discutidas teoricamente bem como as suas aplicações.
Associação de pilhas em paralelo. Onde e quando a usamos? +
C
CA
AD
DE
ER
RN
NO
O
B
BR
RA
AS
SI
IL
LE
EI
IR
RO
O
D
DE
E
E
EN
NS
SI
IN
NO
O
D
DE
E
F
FÍ
ÍS
SI
IC
CA
A,
,
V
V.
.2
20
0,
,
N
N.
.3
3,
,
P
P.
.
3
39
91
1-
-3
39
99
9,
,
2
20
00
03
3
Fernando Lang da Silveira
Instituto de Física
UFRGS
Rolando Axt
Depto. de Física, Estatística e Matemática
UNIJUÍ
Comentário sobre o artigo Associação de pilhas novas e usadas em paralelo: uma
análise qualitativa para o ensino médio, de Deyse Piedade Munhoz Lopes, Dante Luis
Chinaglia e Jorge Roberto Pimentel (Cad. Bras. Ens. Fís., v. 20, n. 1: p. 117-122, abr.
2003).
Comments on the paper Connecting new and old batteries in parallel: a qualitative
analyses for high school level, by Deyse Piedade Munhoz Lopes, Dante Luis Chinaglia
e Jorge Roberto Pimentel (Cad. Bras. Ens. Fís., v. 20, n. 1: p. 117-122, abr. 2003).
I. Introdução
O presente comentário refere-se ao artigo supracitado, no qual os autores estabelecem
indevidamente uma identidade entre a força eletromotriz equivalente de uma associação de
pilhas e a diferença de potencial elétrico que tal associação fornece à porção externa do
circuito elétrico. Além disso, na conclusão, os autores passam a idéia de que a associação
de pilhas em paralelo é usual, interpretando, como referida à associação em paralelo, a
afirmação de que “muitos fabricantes de artigos eletrônicos não recomendam que em seus
equipamentos sejam colocadas pilhas usadas, juntamente com novas ...” (Lopes, Chinaglia
e Pimentel, 2003; p. 121).
Damos início ao comentário fazendo a distinção entre diferença de potencial elétrico
e força eletromotriz para, em seguida, analisar teoricamente, sem recorrer ao teorema de
Thévenin
1
, as associações de fontes ou geradores elétricos. No final, expomos as razões
pelas quais é inusitado, incomum, o uso da associação de pilhas em paralelo.
+ Connection of batteries in paralell. Where and when do we use it?
1
O teorema de Thévenin não é encontrado em livros de Ensino Médio, nem em livros de Física Geral para o
terceiro grau, integrando a literatura mais especializada em circuitos elétricos, por exemplo, Gussow (1997).
Desta forma, pode estar havendo um certo exagero em efetuar “uma análise qualitativa para o ensino médio”
de uma associação em paralelo de pilhas, utilizando-se o referido teorema. Vide também nota 5.
2
II. Diferença de potencial elétrico e força eletromotriz
Para analisar uma associação de fontes elétricas, seja uma associação em série ou em
paralelo, partimos da equação do gerador elétrico encontrada nos bons livros de ensino
médio , referente à diferença de potencial elétrico entre os terminais de uma fonte (pilha,
bateria...) quando há demanda de corrente elétrica (vide figura 1). Esta equação estabelece
que a diferença de potencial elétrico entre os terminais de um gerador (representada por
Vb,a) é igual a sua força eletromotriz (ε) menos o produto da intensidade da corrente
elétrica (i) na fonte pela sua resistência elétrica interna (r). Ou seja,
.riεVb,a =
(1)
Figura 1
Porção do circuito compreendendo um gerador com demanda de corrente.
Uma importante conseqüência da equação do gerador é que a diferença de potencial
elétrico entre os seus terminais, quando há demanda de corrente pela parte externa do
circuito elétrico, é menor do que o valor da sua força eletromotriz. Somente em circuito
aberto isto é, não havendo demanda de corrente no gerador a diferença de potencial
elétrico entre os seus terminais tem o mesmo valor da força eletromotriz. Ainda quando as
duas grandezas possuem valores idênticos, não podemos confundi-las, pois, embora tenham
a mesma unidade de medida (Volt), são conceitualmente diferentes: a diferença de
potencial elétrico expressa o trabalho por unidade de carga realizado por um campo
eletrostático, enquanto a força eletromotriz exprime o trabalho por unidade de carga
realizado por uma força não-eletrostática (Nussenzveig, 1997; Savéliev, 1984). Nas pilhas
e nas baterias, esta força não-eletrostática é de natureza eletroquímica, atuando no interior
do gerador, orientado do terminal de potencial mais baixo (negativo) para o terminal de
potencial mais alto (positivo); nos geradores eletromecânicos, um campo não-eletrostático
é induzido eletromagneticamente. Discutir conceitualmente, qualitativamente, o que seja a
força eletromotriz é extremamente importante para se entender que, contrariamente às
idéias “intuitivas” que as pessoas em geral e mesmo autores de livros didáticos
2
têm sobre
fontes, elas não são depósitos de carga elétrica. Se fossem, a energia ali armazenada seria
energia eletrostática (como acontece em um capacitor) ao invés de energia química.
2
Por exemplo, a afirmação “Baterias modernas conseguem armazenar grandes quantidades de carga...”
contida no texto de Cabral e Lago (2002; p. 172), além de ser incorreta, não faz outra coisa do que reforçar a
concepção errônea que as pessoas têm sobre baterias.
3
No interior de pilhas e baterias, as cargas livres (cargas responsáveis pela corrente
elétrica) não são elétrons como nos metais; são íons positivos e íons negativos. Nas
baterias de automóvel (baterias chumbo-ácido) a corrente elétrica é devida principalmente
ao movimento dos íons positivos, pois eles têm mobilidade muito maior do que os íons
negativos
3
.
III. Associação de geradores elétricos
Podemos agora analisar as associações em série e em paralelo de fontes ou geradores
elétricos. Comecemos pela primeira, notando que na associação em série há uma única
corrente elétrica (i). A figura 2 representa uma porção do circuito, com duas fontes
associadas em série, com demanda de corrente
4
, sendo Vb,a e Vc,b as diferenças de potencial
elétrico entre seus terminais (b e a; c e b).
Figura 2
Porção do circuito com associação em série de geradores elétricos.
Uma associação de geradores em série é utilizada para se obter, entre os terminais da
associação, uma diferença de potencial elétrico que seja maior do que a diferença de
potencial elétrico entre os terminais de apenas um dos geradores. No sistema representado
na figura 2, a diferença de potencial elétrico Vc,a, entre os terminais da associação, é igual à
soma das diferenças de potencial elétrico (Vb,a + Vc,b), entre os terminais de cada um dos
geradores, ou seja,
(2)
Recorrendo à equação (1), temos:
3
O eletrólito das baterias chumbo-ácido é uma solução de ácido sulfúrico (H2SO4). A corrente elétrica
neste eletrólito é devida principalmente aos cátions H+ pois eles possuem uma mobilidade quase cinco vezes
maior do que a mobilidade dos ânions SO4- - (Kochkin e Chirkévitch, 1986).
4
Nessa representação, omitimos a parte do circuito que é externa à(s) fonte(s). Esta parte externa pode estar
constituída por mais de um elemento; entretanto, para fins de análise do comportamento da(s) fonte(s), basta
saber que está havendo uma demanda de corrente. A intensidade da corrente elétrica que efetivamente ocorre
na(s) fonte(s) não depende apenas dela(s), mas da totalidade do circuito. Este aspecto, que pode parecer
trivial, não o é para grande parte dos nossos alunos, como diversas pesquisas sobre as concepções alternativas
têm demonstrado.
4
2211 ririVc,a .. +=
(3)
).()( 2121 rriVc,a ++=
(4)
Na equação (4), o somatório das forças eletromotrizes é a força eletromotriz
equivalente da associação (εeq). O somatório das resistências elétricas internas é a
resistência elétrica interna equivalente (req) da associação em série das duas resistências
elétricas internas. Ou seja, a associação de duas fontes em série comporta-se como uma
única fonte (a fonte equivalente da associação) com as características representadas na
figura 3.
Figura 3
Representação da fonte equivalente da associação em série de dois geradores
elétricos.
Uma associação de dois geradores em paralelo (vide a figura 4) é utilizada para se
obter uma intensidade da corrente elétrica (i) que seja maior do que a intensidade da
corrente elétrica possível em um único gerador, sendo ela igual à soma das intensidades da
corrente elétrica (i1 + i2) em cada um dos geradores, ou seja,
21 iii +=
(5)
Figura 4
Porção do circuito com associação em paralelo de dois geradores elétricos.
Como os dois geradores estão conectados aos mesmos terminais b e a, a diferença de
potencial entre os terminais b e a pode ser expressa em função da força eletromotriz, da
resistência interna e da intensidade da corrente elétrica em cada um dos geradores.
Através da equação (1) equação do gerador elétrico , obtém-se para a fonte 1
5
111 riVb,a .=
(6)
Isolando-se i1 na equação (6) resulta
1
1
1r
V
iab,
=
(7)
Através da equação (1) equação do gerador elétrico , obtém-se para a fonte 2
222 riVb,a .=
(8)
Isolando-se i2 na equação (8) resulta
2
2
2r
V
iab,
=
(9)
Substituindo-se as intensidades das correntes elétricas dadas pelas equações (7) e (9)
na equação (5) encontra-se
2
2
1
1r
V
r
V
iabab ,,
+
=
(10)
Isolando-se a diferença de potencial entre b e a na equação (10) obtém-se
+
+
+
=
21
21
21
1221 rr rr
i
rr rr
Vab .
.
..
,
(11)
A expressão entre parênteses, que multiplica a intensidade da corrente elétrica (i) na
equação (11), é a resistência elétrica equivalente (req) da associação em paralelo das
resistências elétricas internas das duas fontes. A primeira expressão entre parênteses, no
lado direito da equação (11), é a força eletromotriz equivalente (εeq) da associação em
paralelo das duas fontes. Desta forma, a equação (11) equação do gerador para a
associação das duas fontes em paralelo prova que uma associação em paralelo de duas
fontes é equivalente a uma única fonte (a fonte equivalente da associação) que apresenta as
propriedades explicitadas na figura 5.
6
Figura 5
Representação da fonte equivalente da associação em paralelo de dois
geradores elétricos.
Como acabamos de demonstrar, as características da fonte equivalente de uma
associação em série, ou em paralelo, decorrem das propriedades fundamentais dos circuitos
de corrente contínua, não havendo necessidade de se utilizar o pouco conhecido teorema de
Thévenin
5
.
Da equação (11) decorre que a diferença de potencial elétrico entre os terminais da
fonte equivalente, quando ela efetivamente alimenta um dispositivo externo ou seja,
quando i > 0 , é menor do que a força eletromotriz equivalente.
+
+
21
1221 rr rr
Vab ..
,
(12)
Sendo assim, é incorreto igualar a diferença de potencial fornecida pela associação de
geradores à parte externa do circuito com a força eletromotriz equivalente dessa associação
(Lopes, Chinaglia e Pimentel, 2003).
IV. Associação de pilhas em paralelo. Onde e quando é usada?
A maioria dos equipamentos elétricos ou eletrônicos que utilizam como fonte de
alimentação diversas pilhas vale-se da associação em série
6
.
5
Qualitativamente o teorema de Thévenin afirma que qualquer rede de fontes e resistores é equivalente a
uma única fonte. Os resultados aqui obtidos para duas fontes em série e em paralelo, são casos particulares
daquele teorema. Assim não precisamos argumentar com base em um teorema não demonstrado para analisar
as associações de fontes.
6
Desconhecemos a existência de algum equipamento, alimentado por pilhas, com tal tipo de associação.
Diversas vezes utilizamos a associação em paralelo de duas baterias de automóvel, com o objetivo de auxiliar
temporariamente a bateria que estava fraca. Também associamos pilhas em paralelo, para obter uma maior
corrente de curto-circuito em demonstrações de sala de aula; neste caso, tomamos o cuidado de
imediatamente após a demonstração, desfazer a associação, pelo motivo que exporemos logo a seguir no
próprio texto.
Em casos extremos, quando é necessária uma corrente elétrica muito elevada, como para se acionar motores
de arranque de grandes máquinas ou produzir a excitação magnética inicial de geradores eletromecânicos, é
utilizada a associação em paralelo (ou mista) de diversas baterias.
7
Uma das razões pelas quais se evitam as associações de pilhas em paralelo é que, se
houver diferenças entre as forças eletromotrizes, ainda que pequenas, ocorrerão correntes
internas à associação, acarretando um indesejável consumo de energia, mesmo quando a
parte do circuito externo estiver desligada. “Geradores associados em paralelo podem
criar correntes internas entre os geradores componentes... pelo menos um deles funciona
como receptor, consumindo energia” (Gaspar, 2001; p. 165).
Um motivo para se utilizar pilhas em paralelo poderia ser o de aumentar a energia
química armazenada na associação, a fim de que as pilhas operassem durante um tempo
maior. Entretanto, como a energia química armazenada cresce com o volume da pilha, esse
objetivo é muito mais facilmente exeqüível utilizando-se pilhas maiores o que acontece
nos equipamentos elétricos e eletrônicos). Os aparelhos de telefonia, até a década de
sessenta do último século, eram alimentados por pilhas de 1,5 V que mediam cerca de 5 cm
de diâmetro e 15 cm de altura!! Tais pilhas também eram utilizadas em atividades
experimentais propostas nos manuais do PSSC.
Outra razão para o emprego de pilhas em paralelo seria a de se obter maior
intensidade de corrente
7
do que com uma única pilha. Esse objetivo é exeqüível mais
facilmente utilizando-se pilhas com resistência interna menor. A resistência interna das
pilhas diminui com o aumento do seu tamanho; as pilhas pequenas novas têm resistência
interna maior do que as pilhas grandes novas
8
. A natureza dos reagentes químicos também
influi: se compararmos uma pilha convencional com uma alcalina (ambas novas e de
mesmo tamanho), notaremos que a pilha alcalina tem resistência interna menor do que a
convencional.
Para dar uma idéia concreta sobre a influência que tem o tamanho e a natureza da
pilha sobre a resistência interna, apresentamos a tabela 1, com valores determinados
experimentalmente para algumas pilhas novas.
7
Se, no caso de uma única fonte, a demanda em intensidade de corrente for da mesma ordem de grandeza
da máxima possível que é igual à intensidade de corrente de curto circuito, ou seja, igual à razão entre a
força eletromotriz pela resistência interna , a associação em paralelo de fontes iguais determinará um
incremento relevante na corrente. Mas, se a demanda for de uma corrente elétrica inferior a 1/10 da corrente
de curto circuito da fonte, não haverá ganho apreciável em corrente ao se associar fontes em paralelo. Ainda
assim tal associação poderá ser desejável, posto que a corrente em cada gerador acabará sendo menor do que a
corrente total.
8
Durante a vida de uma pilha, a força eletromotriz permanece praticamente inalterada ao passo que sua
resistência interna cresce. Pilhas velhas e inúteis são reconhecidas não por sua força eletromotriz (que pode
ainda ser praticamente a mesma de uma nova), mas pela redução na corrente de curto circuito, causada pelo
crescimento da sua resistência interna.
8
Tipo da pilha
Intensidade da corrente
de curto circuito
(A)
Resistência
interna
(Ω)
Pilha grande alcalina
16,0
0,10
Pilha grande convencional
7,5
0,22
Pilha pequena alcalina
13,3
0,12
Pilha pequena convencional
4,6
0,36
Pilha pequena de vendedor ambulante
2,7
0,56
Tabela 1
Resultados experimentais para pilhas novas de 1,5 V.
Finalmente é preciso registrar que a recomendação dos fabricantes, no sentido de se
utilizar pilhas de mesma natureza e mesmo estado de uso, aplica-se certamente à associação
em série. Em tal associação, a resistência interna equivalente é a soma das resistências
internas (vide figura 3). Se for feita uma associação de pilhas que inclua uma pilha velha
(ou de qualidade inferior como as compradas no comércio ambulante ), com resistência
interna algumas vezes maior do que a de uma pilha nova, o desempenho da associação
estará prejudicado, pois, além de limitar a corrente máxima a um valor substancialmente
menor
9
, a pilha velha poderá dissipar mais potência do que libera, não transferindo potência
para a parte externa do circuito
10
.
Agradecimentos
Agradecemos à Profa. Maria Cristina Varriale pela leitura crítica deste comentário e pelas
valiosas sugestões para melhorá-lo.
Referências
CABRAL, F. e LAGO, A. Física 3. São Paulo: Harbra, 2002.
GASPAR, A. Física 3. São Paulo: Ática, 2001.
9
A pilha velha (ou de baixa qualidade) aumenta muito a resistência interna equivalente da associação,
determinando uma redução na máxima intensidade de corrente (corrente de curto-circuito).
10
A potência que efetivamente uma pilha transfere para fora de si (potência de saída ou potência útil) é a
diferença entre a potência de entrada (potência devida à força eletromotriz, igual ao produto ε.i) e a potência
dissipada na resistência interna (dada por r.i2). Se r.i2 > ε.i, a pilha consome mais potência do que produz.
Por exemplo, imaginemos a associação em série da pilha pequena de vendedor ambulante com três pilhas
alcalinas pequenas, alimentando um resistor de 1,0 Ω. A intensidade da corrente será aproximadamente o
quociente de 6 V por (1,0 + 0,12 + 0,12 + 0,12 + 0,56) Ω, ou seja, algo em torno de 3 A. (Se fossem utilizadas
quatro pilhas alcalinas, a intensidade da corrente seria aproximadamente 4 A.) A potência de entrada da
pilha de vendedor ambulante será aproximadamente (1,5 x 3) W = 4,5 W; a potência dissipada na resistência
interna desta mesma pilha será aproximadamente (0,56 x 32) W = 5 W. Portanto, nesta situação, além de
reduzir a corrente elétrica de 4 A para 3 A, a pilha de vendedor ambulante consome mais potência do que
produz!
9
GUSSOW, M. Eletricidade básica. São Paulo: Pearson, Education, 1997.
KOCHKIN, N. I. e CHIRKÉVITCH, M. G. Prontuário de Física Elementar. Moscou:
MIR, 1986.
LOPES, D. P. M., CHINAGLIA, D. L. e PIMENTEL, J. R. Associação de pilhas novas e
usadas em paralelo: uma análise qualitativa para o ensino médio. Caderno Brasileiro
de Ensino de Física, Florianópolis, v. 20, n. 1:p. 117-122, abr. 2003.
NUSSENZVEIG, H. M. Curso de Física Básica 3. São Paulo: Edgard Blücher, 1997.
SAVÉLIEV, I. V. Curso de Física General. Moscou: MIR, 1984.
Física 3. São Paulo: Harbra
  • F Cabral
  • A Lago
CABRAL, F. e LAGO, A. Física 3. São Paulo: Harbra, 2002.
Associação de pilhas novas e usadas em paralelo: uma análise qualitativa para o ensino médio. Caderno Brasileiro de Ensino de Física
  • D P M Lopes
  • D L Chinaglia
  • J R Pimentel
LOPES, D. P. M., CHINAGLIA, D. L. e PIMENTEL, J. R. Associação de pilhas novas e usadas em paralelo: uma análise qualitativa para o ensino médio. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, Florianópolis, v. 20, n. 1:p. 117-122, abr. 2003.
Física 3. São Paulo: Ática
  • A Gaspar
GASPAR, A. Física 3. São Paulo: Ática, 2001.
Prontuário de Física Elementar
  • N I Kochkin
  • M G Chirkévitch
KOCHKIN, N. I. e CHIRKÉVITCH, M. G. Prontuário de Física Elementar. Moscou: MIR, 1986.
Curso de Física Básica 3. São Paulo: Edgard Blücher
  • H M Nussenzveig
NUSSENZVEIG, H. M. Curso de Física Básica 3. São Paulo: Edgard Blücher, 1997.