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INICIO : Electrotecnia para aplicaciones industriales

Neumática e Hidráulica

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CONCEPTOS DE ELECTROTECNIA PARA APLICACIONES INDUSTRIALES

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PILAS Y BATERIAS

Pilas primarias (Tipo Zinc-Oxido de mercurio)

Otro tipo de pila primaria es la de zinc-óxido de mercurio, inventada a mediados del siglo XX . La pila consiste en un electrodo negativo de zinc amalgamado ya sea en polvo o en láminas corrugadas. El electrodo positivo es una mezcla de óxido de mercurio y grafito, moldeado a presión, contenidos en un envase de acero. El electrólito es una solución de hidróxido de potasio y óxido de zinc. Se utiliza material celulósico como separador y para empastar el electrólito.

Construcción de la pila zinc-mercurio

El voltaje de esta pila cuando no se la utiliza es de 1,34 volts, pero con un drenaje normal de corriente, esta tensión cae entre 1,31 y 1,24 voltios. Comparadas con la mayoría de los otros tipos de pilas primarias, las de zinc-óxido de mercurio poseen ventajas. El voltaje durante su vida útil (ciclo de descarga) es prácticamente constante , y su capacidad para proveer electrones al electrodo negativo es superior a la pila zinc-carbón . Permite una corriente relativamente alta , que puede mantener durante un tiempo considerablemente largo. Estas condiciones se cumplen aún a temperaturas altas. Sin embargo las pilas zinc-mercurio son relativamente caras y su aplicación se encuentra principalmente donde su reducido tamaño (12 a 25 mm de diámetro y cuanto más 25 mm de altura) constituye una ventaja. Algunas de sus aplicaciones son: aparatos para sordos, radios pórtátiles, equipos de comunicaciones , instrumentos eléctricos, instrumental científico , y en algunos casos como voltaje de referencia.

Una ventaja interesante de ésta pila , es su capacidad para mantener un voltaje constante durante toda su vida útil . En muchas aplicaciones , el voltaje de esta pila se usa como patrón con el cual se ajustan instrumentos de medida .

Pila secundaria (plomo-ácido)

Las corrientes secundarias (en sentido inverso) que polarizan las pilas, fueron, por largo tiempo, un grave obstáculo, hasta que el físico francés PLANTÉ (1859) basándose en trabajos de SINSTEDEN (1854), JACOBI (1790 - 1874) y WHEATSTONE (1802-1875) tuvo la ingeniosísima idea de utilizarlas, inventando así las pilas secundarias o acumuladores.

Un acumulador es un aparato de electrólisis que se emplea alternativamente como receptor químico y como generador de corriente, aprovechando la f.e.m. de polarización

Mientras que las pilas primarias pueden generar electricidad a partir de las reacciones químicas que tienen lugar entre las sustancias que hay dentro de ellas, las pilas secundarias tienen que ser cargadas por otros medios antes de poder producir corriente eléctrica. El ejemplo más común es la batería de un coche, que tiene acumuladores ácido-plomo y que normalmente se carga por medio de un generador que hay en el coche (ver figura siguiente).

Al actuar como receptor químico absorbe energía por medio del mecanismo de la polarización de los electrodos: es el tiempo de carga.

Luego restituye dicha energía bajo la forma de una corriente de polarización: es el tiempo de descarga.

FUNCIONAMIENTO: Como se ve, el funcionamiento de un acumulador comprende dos fases:

Primera fase. Carga: Una corriente eléctrica de tensión suficiente (aproximadamente diez voltios) produce una electrólisis acompañada de cambios químicos en los electrodos. La carga termina cuando los electrodos están completamente alterados.

Segunda fase. Descarga: Separado el generador, se unen los electrodos mediante un conductor hasta que los electrodos recobran de nuevo su primitiva condición, originándose una corriente de sentido contrario a la corriente de carga.

La batería de un coche tiene normalmente seis pilas (acumuladores) conectadas en serie. Cuando la batería está cargada, unas placas se recubren de peróxido de plomo y junto con otras placas de plomo y el ácido sulfúrico, se genera la diferencia de potencial eléctrico. Cuando la batería funciona, se está descargando y la concentración de ácido cambia debido a la creación de agua que tiene lugar, siendo necesario a veces rellenar con agua destilada o libre de iones hasta alcanzar el nivel adecuado. Las reacciones químicas son bastante complejas, pero puesto que son reversibles, este tipo de acumuladores pueden ser recargados repetidas veces y pueden reutilizarse. Los vehículos eléctricos, como los que se utilizan en algunos países para repartir la leche, o las carretillas elevadoras utilizan este tipo de baterías de acumuladores, que tienen que recargarse, generalmente durante la noche, para poder ser utilizados diariamente.

Las baterías de almacenamiento o acumuladores consisten en conjuntos de células secundarias. Mientras una célula primaria depende de un consumo irreversible de sus partes componentes, una célula secundaria puede agotarse por descarga, y luego volver al estado de carga integral si se hace circular una corriente continua o directa a través de ella en dirección contraria a la de la descarga. Este proceso puede repetirse centenares de veces antes de que la batería se gaste

Figura .-Batería de acumuladores ácido-plomo.

Las pilas recargables más pequeñas, que tienen electrolito de pasta, se han desarrollado para aplicaciones domésticas tales como máquinas de afeitar o linternas, y utilizan distintos materiales como electrodos y como electrolitos.

La batería de un automóvil está constituida por un conjunto de acumuladores de plomo. Los acumuladores de plomo constan de dos placas alveoladas de plomo sumergidas en ácido sulfúrico diluido.

Cada uno contiene dos placas de plomo que adoptan la forma de rejillas para aumentar el área superficial. Los orificios de la rejilla negativa se llenan con plomo esponjoso; los de la rejilla positiva con bióxido de plomo. El conjunto de células secundarias formadas por una serie de placas alternadas de plomo y bióxido de plomo, se sumergen en una solución de ácido sulfúrico en agua destilada. Tanto el plomo como el bióxido de plomo reaccionan con el ácido sulfúrico y forman sulfato de plomo y agua. Se liberan iones de hidrógeno positivo y iones de sulfato negativos. El sulfato de plomo resulta prácticamente insoluble en el electrólito, y forma un depósito blanco sobre las placas. Cuando ambos conjuntos de placas están cubiertos, la batería se ha agotado, o está descargada, porque ya no hay diferencia de potencial entre las placas. Cuando una corriente continua externa se conecta con las placas para recargarlas, los iones de hidrógeno emigran a las placas negativas y los iones de sulfato a las positivas. Vuelve a formarse plomo esponjoso en las placas negativas, y bióxido de plomo en las positivas.

Los alvéolos del electrodo positivo se rellenan de una pasta de óxido de plomo Pb O2; los alvéolos del electrodo negativo se los rellena con plomo puro.

En el tiempo de descarga, los electrodos se cambian en sulfato de plomo para lo cual utilizan los iones sulfato del líquido electrolito (S04--); el ácido se debilita; su densidad disminuye de 1,3 g/cm3 a 1,1 g/cm3 y la batería se descarga.

Para recargar la batería se hace pasar la corriente eléctrica en sentido contrario: el sulfato de plomo de los electrodos es descompuesto y los iones sulfato de nuevo integrados a la solución electrolítica.

Si la batería recargada se conecta, por ejemplo con el circuito de un automóvil, comienza a descargarse. Es decir, suministra electricidad al circuito hasta que nuevamente se descarga. El voltaje nominal de una célula de plomo es aproximadamente de dos voltios, y una batería de automóvil generalmente consiste en seis células conectadas en serie, de modo que se obtienen doce voltios en las terminales de la batería.

La f.e.m. de un acumulador es de 2,1 voltios.

La batería común de un coche consta de tres o seis acumuladores asociados en serie y que proporcionan, por lo tanto; o (2,1 X 3) = 6,3 voltios o (2,1 X 6) = 12,6 voltios.

La batería del coche está cargándose y descargándose continuamente: La carga la efectúa el generador del coche, o sea la dínamo; y la descarga se efectúa siempre que se utilice algún circuito eléctrico del auto, como el encendido del motor; las luces; la bocina...

Característica de los acumuladores

a) Capacidad: Es la cantidad de electricidad que puede suministrar en su descarga; generalmente se expresa en amperio-horas.

Un acumulador bien formado posee una capacidad de por lo menos 10 amperios-hora por cada kilogramo de placa.

Para aumentar la capacidad, se colocan en una misma vasija varias placas positivas alternando con otras tantas negativas; uniendo entre sí las de cada signo.

El acumulador debe ser descargado lentamente. Cuando la f.e.m. cae a 1,8 voltios debe dársele una nueva carga.

b) Rendimiento: El rendimiento de un acumulador es la relación entre la cantidad de electricidad que recibe en la carga y la que devuelve en la descarga.

El rendimiento es bueno ya que oscila en el 90%.

c) Conservación: Los acumuladores de plomo se recubren, a veces, de una capa de sulfato de plomo que los hace malos conductores. Se dice que están sulfatados.

Se evita la sulfatación:

  • Usando agua destilada y ácido sulfúrico puros.
  • Manteniendo las placas completamente sumergidas.
  • Evitando descargar completamente el acumulador.
  • Si debe quedar algún tiempo sin uso, cargándolo hasta la aparición de burbujas o mejor sustituyendo el ácido con agua destilada.

Hay también células secundarias alcalinas, que tienen un electrólito de hidróxido de potasio diluido y una placa positiva de hidrato de níquel . La placa negativa puede ser hierro o cadmio. Un artefacto que se aplica particularmente a los vehículos eléctricos es la batería de aire y cinc. Aunque se trata de una batería primaria, puede recargarse sustituyendo el electrodo de cinc cuando éste se agotó y se convirtió en óxido de cinc.

Otra forma interesante con relación a la aplicación de energía motriz está constituida por la célula a combustible o pila de gas.

La electricidad se genera directamente mediante reacciones químicas, por ejemplo, combinación de oxígeno con hidrógeno en presencia de electrodos adecuados, con formación de agua. Como esta sustancia es importante para los astronautas, tales pilas se han utilizado en satélites artificiales .

Vista en corte de un acumulador ácido .

La diferencia principal entre la pila primaria y la secundaria, es que esta última es recargable. Esto significa que luego que ha estado en uso y se ha descargado, se puede invertir su acción química y la pila se recarga. La más popular y ampliamente usada de las pilas secundarias, es el acumulador plomo-ácido, para automóviles. Cuando está totalmente cargado, este acumulador tiene un voltaje de salida aproximado de 2,2 volts. Las baterías para automóviles generalmente contienen tres o seis de estos elementos. La pila plomo-ácido es capaz de dar corriente extremadamente alta, de varios cientos de amperios.

Los dos metales distintos de la pila plomo-ácido son plomo (Pb) en forma de una placa formada por metal finamente dividido, y perióxido de.plomo (PbO2). El plomo es el electrodo negativo y el peróxido el positivo. Estos materiales son relativamente blandos y se pasan por las aberturas de una rejilla que forma una placa corrugada. El electrólito es ácido sulfúrico (H2SO4) mezclado con agua destilada (H2O). Una pila está formada por varias placas negativas y positivas, unidas y contenidas dentro de un recipiente, junto con el electrólito. Las condiciones en que se halla la pila puede ser medida con un densímetro, que determina la gravedad específica del electrólito (peso del electrólito comparado con el peso del agua). Cuando está totalmente cargada, su densidad puede ser de 1,25; cuando está descargada de 1,1.

Carga y descarga en el acumulador plomo-ácido

Analizaremos los fenómenos químicos en un acumulador plomo-ácido. Cuando está totalmente cargado, las placas negativas (electrodos) son de plomo y las positivas de peróxido. El electróIito es ácido sulfúrico y agua. Si conectamos un conductor entre el terminal positivo y el negativo, circula corriente y la pila comienza a descargarse. Durante la descarga disminuye el contenido de ácido del electrólito y se deposita sulfato de plomo (PbSO4) sobre ambas placas, positiva y negativa. Aumenta por lo tanto la cantidad de agua. Este proceso continúa hasta que ambos electrodos contienen un máximo de sulfato de plomo y la densidad del electrólito es muy baja. Al llegar a ese punto, dado que ambos electrodos no son dilerentes, f.e.m. entre ellos es mínima.

Ciclo de carga y descarga de un acumulador del tipo ácido .

El acumulador puede ser recargado invirtiendo la dirección de la corriente de descarga. Esto se hace conectando el terminal positivo de la batería al terminal positivo del cargador de baterías. Durante el proceso de carga la placa negativa retorna al plomo y la positiva al perióxido. El sulfato retorna ai electrólito y aumenta la densidad de éste. Durante la carga, se desprende hidrógeno y oxígeno, y se debe agregar algo de agua al electrólito para reemplazar la que se ha perdido. Esta es la razón por la cual se agrega agua a la hatería del automóvil dos o tres veces al año.


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