CONCEPTOS DE ELECTROTECNIA PARA APLICACIONES INDUSTRIALES

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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 consectiencia 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 .

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. 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.

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.

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 .

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.

Pila Zinc-Carbón (Le Clanche)

La pila más popular y más utilizada es la del tipo zinc-carbón, a veces denominada Le Clanche. 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 pulvérizado que actúa como despolarizador.

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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