Pilha elétrica

Uma pilha elétrica transforma em corrente elétrica contínua as reações químicas que ocorrem em dois elétrodos, separados por um eletrólito que conduz iões. A pilha de zinco, cobre e salmoura de Alessandro Volta foi a primeira, em 1800, e todas as que vieram depois, do frasco do telégrafo à bateria de lítio do telemóvel, assentam no mesmo princípio.

O que é

Uma pilha guarda energia sob forma química e devolve-a como corrente elétrica quando um circuito com uma lâmpada ou outra carga liga os seus dois terminais. A unidade básica chama-se elemento. No tempo de Volta, «bateria» designava vários elementos ligados entre si, como a coluna que ele empilhou em 1800; hoje a palavra também se aplica a um elemento isolado.

Antes da pilha, a eletricidade só aparecia em faíscas breves; a pilha dava uma corrente que se mantinha durante horas.

Como funciona

Cada elemento da pilha tem um disco de zinco, um disco de cobre e, entre eles, uma rodela de cartão ou de pano embebida em água salgada. O zinco cede eletrões com mais facilidade do que o cobre. Do lado do zinco, átomos de metal passam para a salmoura como iões e deixam os seus eletrões no disco. Do lado do cobre, uma reação volta a captar eletrões, consumindo o oxigénio dissolvido na salmoura ou libertando hidrogénio. Quando um circuito exterior liga as duas pontas, os eletrões circulam por ele do zinco para o cobre, e os iões que atravessam a camada húmida fecham o circuito.

Na pilha de Daniell deposita-se cobre na parede em vez de hidrogénio, e a tensão mantém-se estável.

Um par zinco-cobre em salmoura dá pouco menos de um volt. Vinte pares em série somam as tensões, o suficiente para sentir um formigueiro nítido com os dedos molhados, que era a forma como Volta testava as suas pilhas. A intensidade da corrente depende da área dos discos e da rapidez da reação.

À medida que a pilha trabalha, o oxigénio dissolvido junto ao cobre esgota-se e as bolhas de hidrogénio começam a cobri-lo, pelo que a corrente diminui. O peso da coluna também espreme a salmoura das camadas de baixo, e o zinco vai-se corroendo. Em 1836, John Frederic Daniell deu a cada metal o seu próprio líquido: o zinco numa solução, o cobre em sulfato de cobre, com uma barreira porosa entre ambos. Em vez de hidrogénio deposita-se cobre, e o elemento mantém cerca de 1,1 volts durante muito tempo.

Numa pilha recarregável, uma corrente enviada no sentido oposto faz a reação andar para trás.

Como construir

Uma pequena pilha dá pouca tensão e pouca corrente, mas mostra o princípio com clareza.

São precisos quinze a vinte discos de cobre (moedas antigas de cobre servem), outros tantos discos de zinco (chapa de zinco ou anilhas galvanizadas), papel mata-borrão ou cartão cortado um pouco mais pequeno, sal, água, dois fios isolados e, se possível, um voltímetro.

Limpar o metal. Esfregar cada disco de cobre com lixa fina até brilhar.

Embeber os separadores. Dissolver duas colheres bem cheias de sal num copo de água e mergulhar o cartão. Apertar cada rodela até ficar húmida mas sem pingar. A salmoura que escorre pela coluna põe os elementos em curto-circuito.

Empilhar sempre pela mesma ordem. Cobre, separador húmido, zinco, e repetir pela mesma ordem até ao topo. Nunca inverter a ordem a meio, nem deixar que os dois metais de um mesmo elemento se toquem pela borda do separador.

Segurar a coluna. Três hastes de madeira ou de vidro fixadas numa base mantêm-na direita sem a apertar.

Ligar e medir. Prender um fio ao disco de cobre de baixo e outro ao disco de zinco de cima. Obtém-se pouco menos de um volt por elemento. Um LED vermelho precisa de cerca de dois volts e de muito pouca corrente: ligar a perna comprida à ponta do cobre e a perna curta à ponta do zinco, e experimentá-lo apenas com quatro ou cinco elementos, que o devem acender fracamente. Ligado ao contrário a mais elementos, um LED pode danificar-se. Quando os separadores secarem, ao fim de algumas horas, desmontar a pilha, lavar e secar os discos.

Segurança. A pilha em si é de baixa tensão, mas um curto-circuito numa bateria potente aquece os fios ao ponto de queimar a pele e derreter o isolamento: nunca ligar os terminais diretamente. Nunca ligar uma pilha ou bateria à corrente da rede nem tentar carregá-la numa tomada. Não abrir baterias comerciais: as baterias de chumbo contêm ácido sulfúrico, que queima a pele e os olhos, e libertam hidrogénio explosivo durante a carga; os elementos de lítio podem incendiar-se se forem perfurados, esmagados ou postos em curto-circuito. O sulfato de cobre e os sais de zinco são tóxicos: usar luvas e óculos, lavar as mãos e manter o material longe das crianças.

História e evolução

As patas de rã de Galvani contraíam-se sempre que um arco de dois metais unia o nervo ao músculo.

Na década de 1780, o anatomista bolonhês Luigi Galvani viu patas de rã dissecadas contraírem-se ao tocarem ao mesmo tempo em dois metais diferentes. Em 1791 publicou a sua teoria da «eletricidade animal». Alessandro Volta, professor de física em Pavia, defendia que eram os metais a produzir a eletricidade e que a rã apenas a detetava, e quis prová-lo sem animal nenhum.

Primeiro ligou taças de salmoura com tiras de metal; depois construiu a pilha, mais compacta. A 20 de março de 1800 descreveu os dois dispositivos numa carta, escrita em francês, a Sir Joseph Banks, presidente da Royal Society de Londres. A Sociedade publicou-a nesse mesmo ano com uma gravura da pilha, a primeira imagem impressa de uma bateria.

Em poucas semanas, William Nicholson e Anthony Carlisle usaram uma pilha para decompor a água em hidrogénio e oxigénio. Alguns anos depois, Humphry Davy isolou o sódio e o potássio com grandes baterias. Napoleão assistiu a uma demonstração de Volta em Paris em 1801 e recompensou-o, e a unidade de tensão elétrica, o volt, tem o seu nome.

A espiral de chumbo de Planté, em ácido diluído, podia ser carregada e descarregada vezes sem conta.

As linhas telegráficas precisavam de uma corrente regular, e a pilha de Daniell forneceu-a. Em 1859, Gaston Planté enrolou duas folhas de chumbo em espiral, com um separador entre elas, e mergulhou-as em ácido sulfúrico diluído. Johann Ritter já tinha apresentado uma pilha de acumulação experimental em 1803, mas a de Planté foi a primeira bateria recarregável prática. Melhorada por Camille Faure em 1881, a bateria de chumbo-ácido ainda põe a trabalhar a maioria dos automóveis.

Em 1866, Georges Leclanché montou um elemento com uma barra de zinco, uma barra de carvão envolta em dióxido de manganês e uma solução de cloreto de amónio; em 1868 já funcionavam vinte mil nas redes telegráficas. Outros inventores engrossaram depois o líquido até formar uma pasta, e esta «pilha seca» alimentou as primeiras lanternas de bolso e os rádios da década de 1920. As primeiras pilhas alcalinas cilíndricas comerciais surgiram em 1959, e as baterias de iões de lítio entraram no mercado no início da década de 1990.