Coltec/UFMG – Física – 1º Ano – 2015
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Significado das unidades de medida Coulomb, Ampere e Ampere-hora
Introdução
Fontes de energia tais como pilhas e baterias estabelecem uma tensão elétrica (polaridade) em um circuito
elétrico. É essa tensão que estabelece corrente elétrica no interior do circuito e que permite seu
funcionamento. O notebook onde esse roteiro foi escrito possui uma bateria e pode ser usado por cerca de
duas horas quando está desconectado da rede de distribuição de energia elétrica mantida pela CEMIG. Os
aparelhos celulares usados na telefonia móvel funcionam porque neles há uma bateria que, uma vez
carregada, estabelece fluxos de elétrons nos diversos circuitos que compõem o aparelho.
O tempo em que um celular pode funcionar depende do tipo de uso que dele fazemos, bem como da
quantidade de carga elétrica armazenada em suas baterias. Mas, o que é carga elétrica? Como medir carga
elétrica? Essas são as questões que esperamos que você se torne capaz de responder ao realizar a atividade
proposta neste roteiro.
Parte 1: uma breve incursão à história da medida da carga elétrica
No século XVIII, os cientistas procuravam uma expressão
matemática para calcular e prever a intensidade da força elétrica
entre dois objetos eletricamente carregados. A hipótese de que
a quantidade de carga influenciava na intensidade da força
parecia óbvia, mas a relação matemática que vinculava
quantidade de carga elétrica e intensidade de força elétrica não
era conhecida. Dentro desse contexto, o físico francês Charles
Coulomb (1738-1806) usou um aparelho chamado balança de
torção (FIG. 1), que lhe permitiu medir a força de repulsão entre
duas esferas carregadas eletricamente (q1 e q2, na FIG.1). A
esfera q2 pode ser aproximada ou afasta da esfera q1. A esfera
q1 fica suspensa por um fio no qual também há uma esfera b
eletricamente neutra. O fio gira quando as esferas q1 e q2
repelem uma à outra. A torção do fio pode ser medida e, assim,
é possível determinar o valor da força existente entre as esferas
q1 e q2.
Depois de Coulomb, o físico estadunidense Robert Millikan descobriu que existia um valor mínimo para a
carga elétrica de um objeto. Millikan introduziu minúsculas gotas de óleo carregadas eletricamente em um
espaço cercado por duas placas paralelas com cargas elétricas opostas (ver FIG. 2). As gotículas podiam ser
observadas por um microscópio. A placa inferior repelia essas gotículas para cima. A placa superior as atraía,
também para cima. O peso ou força gravitacional puxava cada gotícula para baixo. Avaliando a massa e o
peso de cada gotícula Millikan mediu a força elétrica que as placas carregadas exerciam sobre as gotículas.
Atualmente, nós interpretamos o experimento de Millikan da seguinte maneira: a menor carga elétrica que
pode ser exibida por um objeto equivale ao excesso ou à falta de um único elétron!
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A unidade de medida da carga elétrica usada no Sistema Internacional de Unidades (S.I.) é o Coulomb. Dizer
que um corpo possui uma carga elétrica igual a um Coulomb (1C), significa afirmar que esse corpo ganhou
ou perdeu 6,25 x 1018 elétrons (mais de seis bilhões de trilhões de elétrons!).
No dia a dia, a unidade usada para medir a carga armazenada em pilhas e baterias não é o Coulomb. As
cargas que esses dispositivos contêm, quando estão completamente carregados, são medidas em Amperehora (Ah). Um Ampere-hora é igual a 3600 Coulombs. Usar a unidade Ampere-hora nos remete ao significado
de outra unidade de medida chamada Ampere, que é usada na mensuração de fluxos de carga elétrica ou,
em outras palavras, na mensuração da corrente elétrica.
O nome dessa unidade foi dado em homenagem a André-Marie Ampere (1775-1836). Ele foi o primeiro físico
a definir uma maneira de mensurar a corrente elétrica em um experimento no qual ele mediu a força magnética
entre dois condutores ligados a um circuito elétrico. Seu professor demonstrará a existência desse tipo de
força por meio da montagem ilustrada na FIG. 3. A figura é apenas um apoio visual para que você possa se
lembrar, posteriormente, dos materiais usados na montagem.
No Sistema Internacional de Unidades (S.I.), um ampere (1A) é definido como sendo a corrente necessária
para que dois condutores retilíneos e paralelos exerçam forças magnéticas com intensidade igual 0,2
milionésimos de Newton, um sobre o outro, quando eles estão distantes um metro um do outro. O Newton é
a unidade de medida de força no S.I. Alternativamente, um ampere também pode ser definido como um fluxo
de elétrons no qual um Coulomb de carga elétrica (1 C) passa em um ponto de um circuito no intervalo de um
segundo (1s). A partir dessa segunda definição (1 A = 1 C/s), nós podemos compreender a relação entre as
unidades de medida de carga elétrica Coulomb (1C) e Ampere-hora (1 Ah) que foi apresentada no segundo
parágrafo desta página. As expressões matemáticas, a seguir, desenvolvem essa relação. Para compreendêlas, leve em consideração que uma hora equivale a três mil e seiscentos segundos (1 h = 3.600 s).
1
1
1
Logo,
1
.
1
3600 1
3600
Parte 2: Comparando a carga elétrica armazenada em diferentes dispositivos
Analise a série de imagens a seguir e identifique qual é a carga elétrica armazenada em cada dispositivo.
Calcule, também, quantos coulombs de carga elétrica cada dispositivo contém.
FIG. 4- Pilha recarregável com 1,2 Volts de tensão
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FIG.
5Parte
superior de uma
bateria de carro com
12,0 Volts de tensão
FIG. 6- Bateria do tipo Nobreak
com 12,0 Volts de tensão
FIG. 7- Bateria de 9V recarregável
FIG. 8- Bateria de telefone celular
Parte 3: Estimativa do tempo de recarga de uma pilha recarregável
A fotografia 9 apresentada no início da próxima página traz informações que constam em um carregador de
pilhas ou baterias. Pilhas ou baterias recarregáveis ficam descarregadas quando os reagentes que elas
contêm acabam, isto é, quando esses reagentes se transformam em outros materiais, chamados produtos da
reação.
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Um carregador de pilhas ou baterias faz com que as
reações químicas no interior desses dispositivos ocorram
no sentido inverso. Em outras palavras, os materiais que
antes eram produtos da reação se tornam reagentes e,
como resultado, as pilhas ou baterias voltam a conter os
mesmos materiais que elas continham antes de
funcionarem como fontes de tensão elétrica.
Na fotografia podemos identificar o valor da corrente
elétrica estabelecida no interior de pilhas ou baterias
durante o processo de recarga. Assim, por exemplo, em
uma pilha palito (tipo AAA), o carregador aplica uma
tensão inversa de 2,4V durante o processo de recarga e,
nessas circunstâncias, a pilha é percorrida por uma
intensidade de corrente elétrica igual a 200 mA (duzentos
milésimos de Ampere).
Para saber quanto tempo será gasto para a recarga
completa da pilha é necessário saber quantos miliampere-hora de carga a pilha readquirirá quando estiver
totalmente recarregada.
Supondo que a pilha AAA a ser recarregada tenha 2000
mAh de carga, bem como, admitindo que ela esteja
totalmente descarregada, podemos estimar que ela
precisará ficar ligada ao carregador durante um intervalo
de tempo igual a:

2.000
200
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3.1- Usando esse raciocínio como orientação, estime o intervalo de tempo necessário para recarregar uma
pilha pequena (tipo AA) que esteja totalmente descarregada e que precise readquirir uma carga elétrica
igual à da pilha mostrada na FIG. 4.
3.2- Consulte novamente a fotografia do carregador de pilhas e baterias e determine quanto tempo será
necessário para recarregar, completamente, a bateria de 9V mostrada na FIG. 7.
Parte 4: Estimativa do tempo de funcionamento de uma bateria carregada
Para jogar videogame nós manipulamos um dispositivo
com vários botões fixos e outros que se parecem com
alavancas capazes de girar em todas as direções. O
dispositivo que contém todos esses botões é conhecido
como joystique ou manete. Atualmente, manetes de
videogame não precisam ser conectadas ao aparelho
por meio de fios. Isso porque elas contêm pilhas ou
baterias. A FIG. 10 ao lado é uma fotografa da parte
posterior de uma manete do console Xbox 360.
Sabendo que a manete desse videogame precisa de uma corrente elétrica de 250 mA (duzentos e cinquenta
mili-ampere ou duzentos e cinquenta milésimos de Ampere) para funcionar e que ela possui uma bateria
recarregável de 10.000 mAh (dez mil mili-ampere-hora), faça uma estimativa do tempo em que a manete pode
ser usada antes de que sua bateria precise ser novamente carregada.