Atividade laboratorial

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🧲 Física · 10.º ano · Atividades Laboratoriais

AL 2.1 │ Características de uma pilha: força eletromotriz e resistência interna

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💡 A pergunta desta atividade

Uma pilha «mantém» sempre a mesma tensão? Quando ligas um aparelho, a tensão nos terminais desce. Vais descobrir quanto e porquê, determinando a força eletromotriz e a resistência interna de uma pilha pela sua curva característica. Carrega em ⛶ Ecrã inteiro para projetares cada quadro.

📐 Formulário (só as fórmulas das metas) — clica para abrir

Força eletromotriz e resistência interna

U = ε − r I

U nos terminais da pilha; I a corrente

Reta de ajuste de U(I)

U = a I + b ⇒ ε = b · r = −a

ordenada na origem = ε; declive = −r

Declive da reta

declive = U₂ − U₁I₂ − I₁

unidade: V/A = Ω

Potência fornecida ao exterior

P = U I

em W

Erro percentual

Erro % = |valor exp. − valor ref.|valor ref. × 100

ref. = valor medido diretamente

Média e incerteza

x̄ = x₁ + x₂ + x₃3 · u = |x_i − x̄|_máx

resultado: x = x̄ ± u

🎯 No fim deves saber

medir diretamente uma força eletromotriz e justificar o procedimento;
montar um circuito e medir U e I (amperímetro em série, voltímetro em paralelo);
construir e interpretar o gráfico U(I) (curva característica), traçar a reta de ajuste e obter a sua equação;
determinar a f.e.m. e a resistência interna a partir da equação da reta;
comparar a f.e.m. e a resistência interna de uma pilha nova e de uma usada.

🎯 O que vamos fazer — fá-lo tu, passo a passo

1 · Fecha o interruptor

Vais fazer a medição tu mesmo. A pilha é nova (ε = 1,55 V) e o reóstato está regulado para R = 3 Ω.

2 · Calcula a potência no exterior

P = U I, com U = 1,39 V e I = 0,463 A.

Qual é a potência P? W

P = 1,39 × 0,463 = 0,644 W.

3 · Quanto «perde» a pilha por dentro?

A f.e.m. é ε = 1,55 V. A queda de tensão na resistência interna é r I = ε − U.

Quanto vale r I (em V)? V

r I = 1,55 − 1,39 = 0,16 V.

4 · Prevê o que vais descobrir

Na atividade vais variar R e medir U e I em cada caso.

✋ Prevê: com o circuito fechado, a tensão U nos terminais da pilha é…

U = ε − r I < ε sempre que passa corrente.

🧰 O material: monta tu, peça a peça (e fica a saber para que serve)

1 · Coloca a peça (1 de 5)

Precisas do gerador cujas características queres determinar. Arrasta (ou toca em) a peça certa para a zona a piscar.

🔋 Pilha🌡️ Termómetro🧲 Íman

Pilha: é o gerador em estudo. Tem uma força eletromotriz ε e uma resistência interna r, que vais determinar.

2 · Coloca a peça (2 de 5)

Para abrir e fechar o circuito (e medir ε com o circuito aberto) precisas de…

💡 Lâmpada🪝 Dinamómetro🔌 Interruptor

Interruptor: aberto, a corrente é nula e o voltímetro mede (quase) ε; fechado, o circuito funciona.

3 · Coloca a peça (3 de 5)

Que aparelho mede a corrente elétrica? (liga-se em série)

🧲 Íman🅰️ Amperímetro🌡️ Termómetro

Amperímetro: mede I. Liga-se em série, para a corrente o atravessar.

4 · Coloca a peça (4 de 5)

Para variar a corrente e a tensão precisas de uma resistência exterior que possas variar.

🎚️ Reóstato (resistência variável)🪝 Dinamómetro💡 Lâmpada

Reóstato (resistência exterior R variável): ao variar R obténs vários pares (I; U) para a curva característica.

5 · Coloca a peça (5 de 5)

E a diferença de potencial nos terminais da pilha? (liga-se em paralelo com ela)

🧲 Íman🌡️ Termómetro📟 Voltímetro

Voltímetro: mede U nos terminais da pilha. Liga-se em paralelo com a pilha.

🔓 Medir diretamente a força eletromotriz

O que mede o voltímetro?

Antes de montar o circuito, liga o voltímetro diretamente aos terminais da pilha, sem mais nada ligado. Como a corrente é praticamente nula, a leitura é uma boa aproximação da força eletromotriz ε.

✋ Prevê: com o circuito aberto, o voltímetro nos terminais da pilha mede…

sem corrente, U = ε − r × 0 = ε.

Porque é uma boa aproximação?

✋ Prevê: a leitura é uma boa aproximação de ε porque…

a corrente que o voltímetro consome é desprezável, logo r I ≈ 0.

🔌 Montar o circuito (e ligar bem os aparelhos)

Amperímetro: série ou paralelo?

Liga a pilha, o interruptor, o amperímetro e o reóstato em série.
Liga o voltímetro em paralelo com a pilha (aos seus terminais).
Fecha o interruptor só para medir (as pilhas gastam-se).

💡 Escolhe as escalas mais adequadas e confirma as polaridades.

✋ Prevê: o amperímetro liga-se…

a corrente tem de o atravessar.

Voltímetro: série ou paralelo?

✋ Prevê: o voltímetro liga-se…

mede a diferença de potencial entre os terminais da pilha.

Para que serve o reóstato?

✋ Prevê: o reóstato serve para…

cada valor de R dá um ponto da curva característica.

📟 Variar R e medir U e I

R (Ω)	U (V)	I (mA)
1,5	1,26	838
3,0	1,39	463
6,0	1,46	244
12,0	1,51	126
24,0	1,53	64

Converte para ampere

Varia R no reóstato (≥ 5 valores).
Em cada valor lê U e I e regista na tabela.
Converte I para A (÷ 1000).

Num ensaio, o amperímetro marcou 838 mA.

Quanto é em A? A

838 mA = 8381000 = 0,838 A.

R (Ω)	U (V)	I (mA)
1,5	1,26	838
3,0	1,39	463
6,0	1,46	244
12,0	1,51	126
24,0	1,53	64

Sentido da variação

✋ Prevê: ao diminuir R, a corrente I…

I = εR + r: com R menor, I maior.

R (Ω)	U (V)	I (mA)
1,5	1,26	838
3,0	1,39	463
6,0	1,46	244
12,0	1,51	126
24,0	1,53	64

E a tensão?

✋ Prevê: ao aumentar I, a tensão U nos terminais da pilha…

U = ε − r I: com I maior, U menor.

📈 A curva característica U(I)

Calcula o declive

Marca os pontos (I; U) e traça a reta de ajuste.
A reta é decrescente: quanto maior a corrente, menor a tensão nos terminais.
Obtém a equação com a calculadora (regressão linear).

Dois pontos da reta: (0,064 A; 1,53 V) e (0,838 A; 1,26 V).

declive = U₂ − U₁I₂ − I₁

Declive (em Ω)? Ω

1,26 − 1,530,838 − 0,064 = −0,35 Ω.

Forma da curva

✋ Prevê: o gráfico U(I) de uma pilha é…

U = ε − r I é uma função afim decrescente.

Unidade do declive

✋ Prevê: a unidade do declive (V/A) é…

V/A = Ω: é uma resistência.

🧮 Da reta à f.e.m. e à resistência interna

Lê a f.e.m.

Compara U = ε − r I com y = a x + b: a ordenada na origem é ε e o declive é −r.

A calculadora dá U = 1,55 − 0,35 I (SI). Compara com U = ε − r I.

Qual é ε (em V)? V

a ordenada na origem é ε = 1,55 V.

Lê a resistência interna

r = −declive

Qual é r (em Ω)? Ω

o declive é −0,35 ⇒ r = 0,35 Ω.

Quando I = 0

✋ Prevê: para I = 0 a tensão nos terminais é…

U = ε − r × 0 = ε.

♻️ Pilha nova ou pilha usada?

Resistência da pilha usada

Com o uso, a resistência interna aumenta (o declive fica mais negativo) e a f.e.m. pode baixar um pouco. Para a mesma corrente, a pilha usada tem menor tensão nos terminais e dissipa mais energia no seu interior (r I²).

Para a pilha usada a calculadora deu U = 1,46 − 1,60 I.

Qual é r da pilha usada (em Ω)? Ω

r = −declive = 1,60 Ω.

Quanto aumentou r?

aumento (%) = r_usada − r_novar_nova × 100

Aumento percentual de r? %

1,60 − 0,350,35 × 100 ≈ 357 %.

Quando se «gasta» mais?

✋ Prevê: a pilha transforma mais energia (gasta-se mais depressa) quando a resistência exterior é…

a potência total é ε I: quanto maior I, mais energia a pilha transforma.

⚠️ Erros: de onde vêm e como reduzi-los

Leituras que oscilam

🎲 AleatóriosLeituras que oscilam. Reduzem-se: repetindo e usando a média.

📏 SistemáticosContactos com resistência, circuito sempre ligado (a pilha gasta-se e r muda). Reduzem-se: bons contactos e ligar só para medir.

🔧 InstrumentaisResolução e classe dos aparelhos. Reduzem-se: escalas adequadas.

✋ Prevê: as leituras oscilam um pouco. É um erro…

reduz-se repetindo e usando a média.

Pilha sempre ligada

✋ Prevê: deixar o circuito ligado muito tempo gasta a pilha e muda r ao longo da série. É um erro…

desvia os valores sempre no mesmo sentido.

Resolução do aparelho

✋ Prevê: o voltímetro só dá 2 casas decimais. É um erro…

limite do aparelho.

🧪

Agora és tu: o laboratório virtual

Com a pilha nova, carrega em 🔓 Circuito aberto para medir ε diretamente.
Varia R e carrega em ▶ Medir em ≥ 5 valores; vê a reta U(I).
Lê ε (ordenada) e r (−declive) e compara ε com o valor direto (erro percentual).
Repete com a pilha usada e compara os declives. Cumpre as missões 🏅.

✅

Conclusão da atividade

A f.e.m. ε mede-se diretamente nos terminais da pilha com o circuito aberto.
A curva característica U(I) é uma reta decrescente: U = ε − r I.
Da reta: ε = ordenada na origem e r = −declive.
Com o uso, a pilha tem maior resistência interna e gasta-se mais facilmente quando a corrente é grande.