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INICIO : Electrotecnia para aplicaciones industriales

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CONCEPTOS DE ELECTROTECNIA PARA APLICACIONES INDUSTRIALES

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PILAS Y BATERÍAS

En el caso de necesitarse electricidad en una situación en la que no se dispone de una línea eléctrica que suministre la electricidad producida en una central eléctrica, por ejemplo en un vehículo que se desplaza, una radio portátil o una linterna, se recurre a una forma u otra de batería. Una batería es un conjunto de células electrolíticas utilizadas para suministrar una provisión de corriente eléctrica continua o directa. Hay células primarias y células secundarias.

Las células primarias ordinariamente llamadas pilas producen electricidad en un proceso químico irreversible, y es necesario eliminarlas y sustituirlas cuando se agotan. Las células secundarias o acumuladoras actúan de acuerdo con un principio reversible, y es posible recargarlas conectándolas con otra fuente adecuada de corriente eléctrica.

Todas las células tienen dos electrodos sumergidos en un electrólito. El electrólito es una sustancia, a menudo líquida, que conduce electricidad gracias a su disociación en elevado número de iones. Éstos son átomos que han perdido o ganado electrones, y por lo tanto tienen una carga eléctrica. Constituyen ejemplos conocidos de electrólitos las soluciones de ácidos, bases y sales

Cuando dos electrodos apropiados se sumergen en un electrólito, un exceso de electrones aparece en un electrodo (negativo) y una deficiencia en el otro (positivo). La diferencia de potencial eléctrico entre los dos electrodos origina el flujo de una corriente eléctrica en un circuito externo que vincula a los dos electrodos. El flujo de electrones se produce de negativo a positivo, pero por convención a consecuencia de razones históricas (los electrones se descubrieron mucho después del invento de las células eléctricas) afirmamos que la corriente fluye de positivo a negativo.

La pila primaria .

Pilas: Las pilas eléctricas son generadores de corriente que transforma la energía química en eléctrica.

Algunos experimentos realizados en el siglo XVIII, permitieron descubrir que cuando dos materiales desiguales, tales como zinc y carbón (o cobre utilizado en lugar de carbón) se sumergen en una solución ácida (ácido sulfúrico diluido en agua), la acción química produce una fuerza electromotriz entre el zinc y el carbón.

La primera pila se debe a ALEJANDRO VOLTA (1745-1827), físico italiano quien, al estudiar el efecto galvánico, no aceptó las conclusiones de Galvani, quien sostenía que el movimiento de la pata de la rana (fig. siguiente) al unir el nervio y el músculo mediante un alambre metálico se debía a una electricidad animal peculiar, en tanto que a Volta le parecía que dicho fenómeno se debía a la electricidad producida por el contacto de dos metales diferentes.

Figura - Experimento de Galvani

Para probar dicho aserto, Volta formó una pila (de ahí el nombre) de discos de Zn y Cu separados por discos de paño embebidos en ácido sulfúrico diluido: Entre el disco inferior de zinc y el superior de cobre apareció una f.e.m.

La f.e.m. de una pila es la causa, de origen químico, que engendra y mantiene la diferencia de potencial entre sus polos.

La primitiva formación apilada no se usa tanto, cuanto el elemento simple, industrialmente modificado para su mejor rendimiento y comercialización.

Los materiales sumergidos en el ácido se llaman electrodos, siendo el zinc el negativo y el carbón (o cobre) el positivo. La solución de ácido diluido se llama electrólito; el conjunto se denomina pila. Frecuentemente se confunde las pilas con las baterías. En realidad la pila es una unidad básica; dos o más pilas constituyen una batería. Hemos de dar ejemplos de esto más adelante. Pueden ser húmedas o secas, según que el electrólito esté constituido por un líquido o una pasta. En cualquier caso, su producción resulta de aproximadamente 1,5 voltios. La célula húmeda original, la célula voltaica, comprende electrodos de cinc y carnobo (o cobre) sumergidos en un electrólito de ácido sulfúrico. Se la denomina voltaica en homenaje al científico italiano Alessandro Volta, que fabricó la primera batería con una pila de discos de cinc y de cobre separados por capas de fieltro empapadas en ácido diluido.

La moderna célula o pila seca, utilizada, sola o formando una batería de ellas o acoplamiento de las mismas en las lintemas y radios portátiles, tiene un electrodo negativo de cinc (que forma el revestimiento externo) y un electrodo positivo de carbono. El electrólito es una pasta espesa, formada esencialmente por una mezcla de grafito, cloruro de amonio y bióxido de manganeso. El bióxido de maganeso aparece como despolarizador para eliminar las burbujas de hidrógeno que de lo contrario se acumularían sobre el electrodo de carbono e inhibirían la acción de la célula. Este tipo de célula se basa en la de Leclanché, inventada por el científico francés Georges Leclanché.

Como el desprendinüento del hidrógeno es la causa de la polarización que origina la f.c.e.m., indeseable en este caso, el bióxido de manganeso (Mn 02) reacciona con él para evitar dicha polarización. Al Mn O2 se lo llama, por tal mctivo, despolarizante.

Las minúsculas células para los auxiliares de la audición y el equipo fotográfico y de relojería tienen un electrodo positivo de óxido de mercurio, un electrodo negativo de cinc y una pequeña cantidad de hidróxido de potasio (potasa cáustica) como electrólito.

La resistencia interna de la pila es variable según las dimensiones de la misma y el tiempo de su almacenamiento. Su valor es de unos 0,05 ohmios.

Pila de Volta: La pila de taza de Volta se compone de una lámina de zinc, que es el polo negativo (-), y otra de cobre, que es el positivo (+) colocadas en agua acidulada con ácido sulfúrico (fig. siguiente).

En 1790 Volta descubrió que cuando dos materiales conductores se ponían en contacto a través de un líquido conductor se producía una diferencia de potencial entre ellos. Un trozo de cobre y otro de cinc sumergidos parcialmente en ácido sulfúrico formaban una pila húmeda primaria, y una versión más elaborada de la misma desarrollada por Daniell se utilizó mucho en trabajos de laboratorio (ver figuras).

Pronto se descubrió que se podían utilizar otros líquidos o materiales como electrolito, así como diferentes metales como el níquel

y el cadmio, o incluso el carbón, como electrodos. La pila Leclanché se utilizó tanto en forma húmeda como seca, siendo normal aún hoy dia en linternas, juguetes, radios de transistores, timbres eléctricos, etc. .

Figura: Cuando se conectan externamente los terminales + y - , circula corriente .

La f.e.m. es aproximadamente de 1 voltio.

ANÁLISIS DEL PROCESO: El Zn se disuelve en el ácido formando SO4 Zn el cual se disocia en el ión positivo Zn++ que comunica al clectrolito carga positiva al mismo tiempo que la lámina de zinc (a causa de los electrones que quedaron libres en la formación de los iones Zn++) adquiere carga negativa.

La lámina metálica de Zn sigue emitiendo iones Zn++ hasta que la tendencia que tiene el Zn a disolverse (tensión de disolución) queda contrarrestada por la atracción que ejerce el mismo Zn sobre sus propios iones.

En la pila, el electrodo de zinc se va disolviendo lentamente mientras se halla en funcionamiento. Se puede llegar al caso de que el zinc se corroe de tal manera que la pila deja de funcionar. Cuando se llega a este punto la pila ha alcanzado el final de su vida útil. En otras palabras, la pila primaria tiene una vida limitada, después de lo cual su funcionamiento no puede volver a condíciones normales.

Esta d.d.p. de contacto entre el Zn y sus iones Zn++ alcanza el valor máximo de 0,77 voitios. En cambio, con la lámina de cobre el electrolito es el que adquiere la carga negativa y el cobre, positiva. (El ácido sulfúrico ataca el cobre, formando SO4 Cu, cuyos iones Cu++ se depositan sobre la lámina de este metal el cual queda cargado positivamente.

S04 H2 + Cu = S04 Cu + H2

La d.d.p. de contacto es de 0,33 voltios. Por consiguiente, entre los dos polos, la tensión o f.e.m. existente será:

0,77 + 0,33 = 1,1 voltio.

Uniendo los dos electrodos con un conductor, circula una corriente del Cu al Zn, es decir, los electrones se trasladan por el circuito exterior del Zn al Cu y al llegar a la disolución son captados por los iones H+ y se desprenden burbujas de hidrógeno, H2, en la lámina de cobre.

Polarización: Las burbujas de H2 quedan en parte adheridas a la lámina de Cu formando sobre ella una película que origina una nueva pila hidrógeno-zinc, en la que el Zn actúa de polo positivo ( +) y el hidrógeno de polo negativo (-). La f.e.m. de esta segunda pila hace disminuir rápidamente la corriente de la primera y acaba por anularla. La pila se ha polarizado.

Para obviar este inconveniente se emplean sustancias llamadas despolarizantes (el Mn 02 por ejemplo), capaces de eliminar este hidrógeno antes de que se deposite en el polo positivo.

Pila Zinc-Carbón (Leclanché )

La pila más popular y más utilizada es la del tipo zinc-carbón, a veces denominada Leclanché. Esta pila es una pila fácil de hacer y mantener y que puede prestar muchos servicios (ver figura):

  • El electrolito es el cloruro de amonio (NH4 Cl);
  • el despolarizante es el bióxido de manganeso (Mn O2) y carbón;
  • el polo negativo es un cilindro de zinc sumergido en el Cl NH4;
  • y el positivo está formado por una lámina de carbón rodeada por el despolarizante.

En esta pila el electrodo positivo es de carbón (C) y el negativo de zinc (Zn) . El electrolito es un producto químico conocido como cloruro de amonio (NH4CI) , frecuentemente llamado sal de amoníaco. El electrodo negativo es de la forma del recipiente y contiene la totalidad de la pila. El elemento positivo tiene la forma de una varilla de carbón y está colocada en el centro de la pila. El electrólito está mezclado con almidón o con harina formando una pasta. Es decir que una pila seca, realmente no es "seca". En efecto, cuando el electrólito se seca , la pila deja de funcionar. Alrededor del electrodo de carbón se coloca una capa de dióxido de manganeso (MnO2) finamente pulverizado que actúa como despolarizador.

El radical amonio NH4+ se descompone en amoníaco e hidrógeno:

2 NH4 = 2 NH3 + H2

FUNCIONAMIENTO: La barra de zinc entrega iones Zn++ al electrolito para formar cloruro de zinc y la barra se carga. negativamente:

2 Cl-+ Zn++ = Cl2 Zn

Los iones NH4+ del cloruro de amonio se dirigen hacia el polo positivo de la pila, donde se descargan con los electrones que pasan del Zn al Cu a través del circuito exterior.

El amoníaco se disuelve en el agua y el hidrógeno reduce parcialmente al Mn 02:

2 Mn O2 + 2H = Mn2O3 +H2O

Cuando la pila trabaja correctamente, entre los terminales positivo y negativo aparece una diferencia de potencial (o voltaje) de 1,6 volts. Cuando la pila se "agota", ya sea porque se ha secado el electrólito, o porque se ha comido la cubierta de zinc, la tensión entre los terminales disminuye. Alrededor de 1,1 volts (descargada) este tipo de pila es inútil para la mayoría de las aplicaciones ya no puede volver a cargarse, y debe ser descartada. Combinaciones diferentes de distintos metales y electrólitos pueden producir diferentes voltajes entre los terminales.

Se han desarrollado también algunas pilas parecidas pero utilizando componentes químicos diferentes, siendo capaces algunas de producir una corriente constante durante períodos de tiempo asombrosamente largos. Algunas pilas se pueden fabricar en tamaños muy pequeños encontrando aplicación en dispositivos como relojes electrónicos, audífonos y marcapasos para el corazón.

Funcionamiento de la pila

Conectemos un alambre conductor entre los terminales de una pila seca de zinc-carbón. En el electrólito (NH4Cl) hay presente iones amonio (NH4+) e iones cloruro (Cl -) . Cuando el zinc hace contacto con el electrólito los iones de zinc (Zn++) entran en la solución, dejando cada uno de ellos dos electrones sobre el electrodo negativo. La acumulación de electrones constituye una carga negativa sobre el zinc. Los iones (Zn++) en la solución repelen a los iones amonio (NH4+) y a los iones hidrógeno positivos (H+), los cuales son colectados sobre la superficie del electrodo de carbón en la forma de burbujas gaseosas. La pérdida de electrones deja el electrodo de carbón con una carga positiva. Los iones (Zn++) se combinan químicamente con los iones (Cl -) para formar cloruro de zinc (ZnCl2) , una sustancia blanca. Se puede ver esta sustancia cuando las pilas envejecen demasiado. La cubierta de zinc es usada gradualmente para formar el (ZnCl2) durante el funcionamiento de la pila.

Funcionamiento de la pila seca zinc - carbón .

Los electrones agrupados sobre el electrodo de zinc, se repelen unos a otros. Esta repulsión sumada a la atracción de la carga positiva sobre el electrodo de carbón, da como resultado la formación de la f.e.m. de la pila .Esta f.e.m. hace que circule una corriente de electrones entre los electrodos cuando hay un camino externo. La acumulación de burbujas de hidrógeno sobre la superficie de carbón afecta en forma adversa el funcionainiento de la pila, bloqueando su acción química. Esto se llama polarización. El dióxido de manganeso en el electrólito evita la polarización, combinándose con el hidrógeno y formando agua.

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