Diferença de potencial elétrico e funcionamento das pilhas e baterias

Há algum tempo venho estudando eletrônica analógica, consigo até calcular é construir circuitos seguindo os fundamentos (ohm, kirchhoff, etc).

Porém algo que nunca consegui entender com clareza é o que é a tensão elétrica.

No meu entendimento ela seria resultante de um acúmulo de cargas (como se estivesse apertado/pressionado, ou seja, muitas cargas e pouco espaço para elas) em determinado ponto (um pólo de pilha por exemplo) fazendo com que essas cargas se repilam e, ao conectar um fio (ou qualquer material mais condutor), elas tentariam ocupar o espaço do fio diminuindo então essa pressão/tensão que estava acontecendo devido a força de repulsão entre elas.

Além disso não entendo por que ligando o voltimetro entre um pólo positivo de uma pilha e um negativo de outra pilha “idêntica” não há diferença de potencial, se fazendo um experimento (simulando pilhas) com pedaços separados de batatas (ou limão) separados para cada pólo, um pedaço de zinco em um pólo e um de cobre em outro, isso funciona.

Será que isso, no caso das pilhas reais, é porque elas dependem de “fechar o circuito” com a ponte salina para que funcionem adequadamente? (e portanto, ligando pólos opostos de pilhas distintas não existe essa ponte salina)

Fiz um experimento relativamente arriscado medindo tensões entre pólos de fontes DC distintas. Acredito ser arriscado porque não é possível ter certeza de que a referência interna de 0V de cada uma é a mesma. Mas pelo que observei existe sim tensões entre pólos distintos de fontes DC distintas. E como citado anteriormente, o mesmo parece não acontecer com as pilhas/baterias, ou seja, não há tensão entre pólos distintos de pilhas e baterias (ainda acredito que por causa da ponte salina).

Alguém conseguiria esclarecer de maneira aprofundada esses tópicos ou indicar referências que possam me auxiliar nesse sentido?

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Sabe, essas questões que você levantou permearam minha mente por vários anos.

Pra começar, você realmente fez o experimento com batatas ou limões diferentes e, com um multímetro, medindo no positivo de uma com o negativo de outra, deu alguma ddp significativa? Me lembro de já ter feito teste assim há muitos anos e não ter dado nada. Em corroboração, no Tinkercad isso também não funciona. Veja:

Mesma batata:

Batatas diferentes:

Confesso que bateu a curiosidade de fazer novamente esse teste na prática. Mas creio que não faça sentido que, em batatas diferentes, haja alguma ddp significativa - pode ser que haja alguma coisa irrelevante, mas longe da mesma ddp que se teria ao medir na mesma batata. Me corrija se estiver errado, mas pela lógica, tem que ser assim.

Sobre porque ligar o positivo de uma pilha no negativo de outra não gera ddp, isso ocorre porque no caso da pilha (e teoricamente nos da batatas e limões), a ddp é gerada através de uma reação química que EXIGE UMA COMUNICAÇÃO INTERNA DE CARGAS - E NÃO APENAS EXTERNA. Ou seja, ao mesmo tempo que fora da pilha, no seu circuito, há cargas circulando, por dentro há a mesma quantidade de cargas circulando também.

Tentando explicar de forma simplificada, quando você liga alguma coisa na sua pilha, ocorre o seguinte DENTRO DA PILHA:

  • O Zinco tira um elétron da solução eletrolítica, portanto, o Zinco fica negativo.
  • A solução eletrolítica fica positiva, já que perdeu esse elétron;
  • Para compensar isso, a solução eletrolítica retira um elétron do Cobre, deixando este positivo.

Por isso, o Zinco fica negativo e o Cobre fica positivo.

E é por essa razão que tal só funciona se for na mesma pilha. Em pilhas diferentes, a solução eletrolítica será diferente; portanto, se o Zinco dessa pilha está negativo, o cobre da outra não estará positivo, já que não doou nenhum elétron ao seu eletrolito (que permanece neutro).

Não sei se ficou claro. Mas veja que em vários modelos de pilhas de zinco e cobre é necessária uma ponte salina, que é justamente por onde haverá essa comunicação INTERNA de cargas.

Por isso, numa pilha, quando uma corrente circula por fora dela, ligando um LED, por exemplo, existe também uma corrente interna dentro dela, de mesma intensidade, correndo de um eletrodo até o outro. Em pilhas diferentes não há caminho para isso acontecer, por isso, não funciona.

Da mesma forma ocorre quando se faz o experimento em fontes DC, porém nesse caso, não é por causa de reações químicas internas, mas sim porque as duas fontes tem referenciais distintos. Mas vamos ficar por enquanto nas pilhas mesmo, já que o entendimento delas já é um pouco complicado, rs.

Já sobre a natureza da tensão elétrica, de forma simples, é a força que empurra (ou puxa) os elétrons. No caso de uma pilha, a tensão elétrica seria a velocidade com que o Zinco ganha Elétrons e o Cobre, do outro lado da pilha, os puxa. E isso dependeria, claro, do material ao que estão imersos, e em última instância, depende da intensidade da reação química que ocorre ali. Se olharmos para o que é 1 Volt -> 1 Volt = 1 Joule por Coulomb -> veremos que 1 Volt significa que 6,25 x 10^18 elétrons (1 Coulomb) circulando (por qualquer meio) irá produzir 1 Joule de trabalho. Portanto, o Volt tem a ver com quanto trabalho cada elétron consegue gerar - ou ainda, quão “energizado” cada elétron é. Dessa forma, dizer que a tensão elétrica é um amontoado de cargas de um lado versus cargas opostas do outro lado é apenas uma forma bem simplificada de ver e de entender, pois no mundo real, nem sempre esses esquemas simplificados correspondem.

Espero ter sanado, ao menos em parte, suas dúvidas. Obrigado pela rica pergunta!

Muito obrigado pela resposta, Gabriel, foi bastante esclarecedor e parabéns pelas suas aulas, até hoje não encontrei nenhum canal de eletrônica no Youtube capaz de me ensinar tão bem quanto o seu.

Em relação ao experimento, o que eu tinha feito aqui era na verdade 4 pedaços de batatas (ou limões) separados, pois cada pólo ficava isolado, igual está nas imagens que você enviou, porém os pedaços foram cortados ao meio separando em 4 pólos isolados. (o que não é exatamente o experimento convencional em que você conecta dois metais em uma mesma batata/limão).

O que aconteceu pelo que comprovei é que ao cortar as batatas/limões ao meio, em alguns casos, eu deixava que escorresse um líquido, e nesses casos, quando os pedaços encostavam nesse líquido eles fecham o circuito como faz uma ponte salina numa pilha real. Sem esse circuito fechado não funcionou mesmo, como você disse.

Resumindo, era só uma falsa impressão de que funcionava com pólos separados, sendo que na verdade o líquido estava fechando o circuito entre eles da mesma forma que faz a ponte salina.

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