Por que a tensão das baterias de vinagre em série não é igual à soma das tensões individuais?

Estou trabalhando em uma demonstração / aula prática para a turma da escola primária de meus filhos e fiz algumas pilhas pequenas com moedas de 10 centavos (revestidas a cobre) da Nova Zelândia, arruelas de zinco e papelão embebido em vinagre. Cada célula individual mede cerca de 0,96 volts, mas quando uno 4 delas, saio apenas 2,6 volts. Gostaria de saber se há algo que não conheço sobre a natureza dessas baterias que as faz não se acumularem.

Além disso, mesmo em 2,6 volts, a mesma tensão que estou saindo de um par de AAs de eneloop, o LED não é muito brilhante - comparado a conectá-lo aos AAs de eneloop, onde o LED é bastante brilhante. Isso ocorre devido à baixa amperagem da bateria de vinagre? Colocar mais em série o tornaria melhor (ou preciso criar um segundo e conectá-los em paralelo?).

Eu sou um pouco irritado com eletrônica, principalmente aprendendo agora porque meu filho está muito interessado, então me divirto aprendendo isso com ele.

Obrigado por todas as dicas.

Anexei uma figura abaixo mostrando o produto final pretendido (aperto as partes superior e inferior dos fios de led para completar o circuito, como um simples interruptor). À direita está o que estou usando para minhas células (menos o vinagre e sem o papelão ser cortado para caber na moeda).

Além de demonstrar alguma geração básica de eletricidade, você demonstrará por que não geramos eletricidade comercial usando moedas e vinagre da Nova Zelândia!

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Figura 1. Toda bateria possui uma resistência interna que causa uma queda de tensão à medida que a corrente aumenta.

O efeito da resistência interna é causar queda de tensão à medida que a corrente aumenta. Uma demonstração simples disso será conectar como mostrado com o multímetro ajustado em mA quando estiver na posição AM1 (certifique-se de ter os fios nas tomadas corretas) e definido em DC V na posição VM1.

• Desconecte o LED. Meça a tensão do circuito aberto. Não há necessidade de medir corrente de circuito aberto. Será zero.
• Reconecte o LED. Meça a corrente e a tensão. Usando essas informações, você poderá calcular a resistência interna total da sua bateria. .$R = \frac {V_{OC} - V_{LOADED}}{I}$

É difícil dizer por que você não está recebendo quatro vezes 0,96 V quando conectado em série, mas uma foto pode nos dizer mais.

Olhando para a foto, suspeito que você possa ter algum vazamento em suas células individuais. Se os lados das arruelas ou moedas se molharem, haverá um curto-circuito parcial na célula. Para testar isso, faça quatro células separadas conectadas por fio, e não pela pilha.

Quando qualquer bateria é conectada a uma carga, sua tensão de saída diminui um pouco devido à resistência interna da bateria.

Se você estiver construindo uma bateria, há quatro coisas simples que você pode fazer para reduzir a resistência interna da bateria:

1. Faça os eletrodos mais largos.

   • A resistência do eletrólito será inversamente proporcional à seção transversal do eletrólito pelo qual a corrente viaja. Geralmente a maior parte da corrente viaja em linha reta diretamente entre os eletrodos.
   • A taxa na qual as reações químicas podem ocorrer é proporcional à área dos eletrodos.
   • Isso é equivalente a conectar várias baterias em paralelo.

2. Reduza o espaçamento entre os eletrodos. A resistência do eletrólito será proporcional à distância que a corrente percorre.

   • Usar papelão mais fino ou toalhas de papel deve reduzir a resistência.

3. Aumente a concentração de íons no eletrólito. A condutividade será um pouco proporcional à concentração de íons.

   • Por exemplo, o vinagre contém ácido acético. Usar outra marca de vinagre com uma porcentagem maior de ácido acético pode ajudar.
   • Se você usar ácido cítrico em vez de vinagre, poderá comprar pó de ácido cítrico puro no supermercado local. Geralmente é na ilha de cozimento.

4. Use um eletrólito que tenha maior mobilidade iônica. A resistência do eletrólito será inversamente proporcional à mobilidade do íon.

   • O ácido cítrico (encontrado no suco de limão) e o bicarbonato de sódio (bicarbonato de sódio) são bons eletrólitos.

Além do fenômeno de resistência interna que reduz a tensão da bateria sob carga, você deve prestar muita atenção ao comentário da @Jasen sobre curtos-circuitos internos. Dê uma olhada nas baterias de nível industrial e você notará que células individuais nunca compartilham eletrólitos .

Sugiro que você tente colocar um filme não molhável (como pedaços de um saco plástico ou papel de bala) entre cada moeda de uma célula e a lavadora da próxima célula. Como você ainda precisa que eles sejam conectados eletricamente, coloque um pequeno fio na camada de isolamento. Isso deve melhorar a produção da bateria e aproximar a tensão total da soma das tensões das células individuais, pelo menos sem carga.