Baterias para fins especiais

Célula padrão de mercúrio

Nos primórdios da tecnologia de medição elétrica, um tipo especial de bateria conhecido como célula padrão de mercúrio foi popularmente usado como um padrão de calibração de tensão. A saída de uma célula de mercúrio foi de 1,0183 a 1,0194 volts DC (dependendo do projeto específico da célula) e foi extremamente estável ao longo do tempo. O desvio anunciado foi de cerca de 0,004 por cento da tensão nominal por ano. As células padrão de mercúrio às vezes eram conhecidas como células de Weston ou células de cádmio .



Infelizmente, as células de mercúrio eram bastante intolerantes a qualquer dreno de corrente e não podiam nem mesmo ser medidas com um voltímetro analógico sem comprometer a precisão. Os fabricantes normalmente pediam não mais do que 0,1 mA de corrente através da célula, e mesmo esse número era considerado momentâneo , ou aumento máximo! Consequentemente, as células padrão só podem ser medidas com um dispositivo potenciométrico (equilíbrio nulo) onde o dreno de corrente é quase zero. O curto-circuito de uma célula de mercúrio era proibido e, uma vez em curto-circuito, a célula nunca mais seria considerada um dispositivo padrão.

Tipos de células padrão de mercúrio

As células padrão de mercúrio também eram suscetíveis a pequenas mudanças na voltagem se fossem fisicamente ou termicamente perturbadas. Dois tipos diferentes de células padrão de mercúrio foram desenvolvidos para diferentes fins de calibração: saturadas e insaturado . Células padrão saturadas forneceram a maior estabilidade de tensão ao longo do tempo, às custas de instabilidade térmica. Em outras palavras, sua voltagem oscilou muito pouco com o passar do tempo (apenas alguns microvolts ao longo de uma década!), Mas tendeu a variar com as mudanças na temperatura (dezenas de microvolts por grau Celsius). Essas células funcionaram melhor em ambientes de laboratório com temperatura controlada, onde a estabilidade a longo prazo é fundamental. As células insaturadas forneceram estabilidade térmica em detrimento da estabilidade ao longo do tempo, a voltagem permanecendo virtualmente constante com as mudanças na temperatura, mas diminuindo continuamente em cerca de 100 µV a cada ano. Essas células funcionaram melhor como dispositivos de calibração de “campo”, onde a temperatura ambiente não é controlada com precisão. A voltagem nominal para uma célula saturada era 1,0186 volts e 1,019 volts para uma célula insaturada.

As referências modernas de tensão de semicondutor (regulador de diodo zener) substituíram as baterias de células padrão como padrões de tensão de laboratório e de campo.

Célula de combustível

Um dispositivo fascinante intimamente relacionado às baterias de células primárias é a célula de combustível , assim chamado porque aproveita a reação química de combustão para gerar uma corrente elétrica. O processo de oxidação química (ligação ionicamente de oxigênio com outros elementos) é capaz de produzir fluxo de corrente entre dois eletrodos tão bem quanto qualquer combinação de metais e eletrólitos. Uma célula de combustível pode ser considerada uma bateria com uma fonte de energia química fornecida externamente.



Até o momento, as células de combustível mais bem-sucedidas construídas são aquelas que funcionam com hidrogênio e oxigênio, embora muitas pesquisas tenham sido feitas em células que usam combustíveis de hidrocarbonetos. Enquanto "queima" o hidrogênio, os únicos subprodutos residuais de uma célula de combustível são água e uma pequena quantidade de calor. Ao operar com combustíveis que contêm carbono, o dióxido de carbono também é liberado como um subproduto. Como a temperatura de operação das células de combustível modernas está muito abaixo da combustão normal, nenhum óxido de nitrogênio (NOx) é formado, tornando-o muito menos poluente, sendo todos os outros fatores iguais.

A eficiência da conversão de energia em uma célula de combustível de química para elétrica excede em muito o limite de eficiência teórico de Carnot de um motor de combustão interna, o que é uma perspectiva empolgante para geração de energia e automóveis elétricos híbridos.

Célula solar

Outro tipo de “bateria” é a célula solar , um subproduto da revolução dos semicondutores na eletrônica. O efeito fotoelétrico , por meio do qual os elétrons são desalojados dos átomos sob a influência da luz, é conhecido na física há muitas décadas, mas foi apenas com os avanços recentes na tecnologia de semicondutores que existiu um dispositivo capaz de controlar esse efeito em qualquer grau prático. As eficiências de conversão para células solares de silício ainda são bastante baixas, mas seus benefícios como fontes de energia são legiões:sem peças móveis, sem ruído, sem produtos residuais ou poluição (além da fabricação de células solares, que ainda é uma indústria bastante "suja" ), e vida indefinida.



O custo específico da tecnologia de células solares (dólares por quilowatt) ainda é muito alto, com poucas perspectivas de redução significativa, impedindo algum tipo de avanço revolucionário na tecnologia. Ao contrário dos componentes eletrônicos feitos de um material semicondutor, que podem ser cada vez menores com menos refugo como resultado de um melhor controle de qualidade, uma única célula solar ainda requer a mesma quantidade de silício ultra-puro para ser feita como fazia trinta anos atrás. O controle de qualidade superior falha em produzir o mesmo ganho de produção visto na fabricação de chips e transistores (onde partículas isoladas de impureza podem arruinar muitos circuitos microscópicos em um wafer de silício). O mesmo número de inclusões impuras faz pouco para impactar a eficiência geral de uma célula solar de 3 polegadas.

Célula de detecção química

Ainda outro tipo de "bateria" para fins especiais é a célula de detecção de produtos químicos . Simplificando, essas células reagem quimicamente com substâncias específicas no ar para criar uma voltagem diretamente proporcional à concentração dessa substância. Uma aplicação comum para uma célula de detecção química é a detecção e medição da concentração de oxigênio. Muitos analisadores de oxigênio portáteis foram projetados em torno dessas pequenas células. A química celular deve ser projetada para corresponder à (s) substância (s) específica (s) a ser detectada, e as células tendem a “se desgastar”, conforme seus materiais de eletrodo se esgotam ou ficam contaminados com o uso.

REVER:

• Células padrão Mercury são tipos especiais de baterias que já foram usados ​​como padrões de calibração de tensão antes do advento dos dispositivos de referência de semicondutores de precisão.
• Uma célula de combustível é um tipo de bateria que usa combustível e oxidante como reagentes para gerar eletricidade. Eles são fontes promissoras de energia elétrica no futuro, “queimando” combustíveis com emissões muito baixas.
• Uma célula solar usa a energia da luz ambiente para motivar os portadores de carga de um eletrodo para o outro, produzindo voltagem (e corrente, se houver um circuito externo).
• Uma célula de detecção de produtos químicos é um tipo especial de célula voltaica que produz voltagem proporcional à concentração de uma substância aplicada (geralmente um gás específico no ar ambiente).

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