Pilas Níquel-Cadmio.

 

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Pila níquel-cadmio

La pila níquel-cadmio es de desarrollo mas reciente y ha encontrado considerable uso en equipos electrónicos portátiles. Es una pila que puede soportar sobrecargas ya sea en su régimen de descarga o de carga, o permanecer descargada durante mucho tiempo. Siendo una pila secundaria puede ser recargada. Estando completamente cargada, el electrodo positivo de la pila níquel-cadmio, es hidróxido de níquel, mientras el negativo es cadmio metálico. El electrólito es hidróxido de potasio. El voltaje medio de trabajo, bajo condiciones normales es de 1,2 volts.

Vista de corte de una pila miniatura de níquel-cadmio .

Los acumuladores de níquel-cadmio se fabrican en una amplia variedad de tamaños y formas, siendo los más populares de ellos los tipos rectangulares de cierre hermético, y los cilíndricos de "botón". En el tipo de placa sintetizada, las placas están dispuestas en grupos y conectadas por cintas soldadas y separadas por distanciadores. Los grupos de placas positivas y negativas están entremezcladas y colocadas en un recipiente de plástico. Durante la carga y la descarga de un acumulador de níquel-cadmio, no hay prácticamente cambios. en la densidad del electrólito. Éste actúa solamente como un conductor para transferir los iones hidróxido de un electrodo al otro, dependiendo esto de la condición de carga de la pila.

Relaciones en las tensiones de salida de las pilas

Un hecho interesante acerca de la fuerza electromotriz (f.e.m.) generada por las pilas es que el voltaje de salida de una pila depende del tipo de materiales utilizados en ella, y no de sus dimensiones. Por ejemplo, toda pila de zinc-carbón con electrólito de cloruro de amonio da la misma tensión, ya sea la pequeña de tipo lapicera, o las grandes para campanillas suministran 1,6 volts cuando son nuevas. Como veremos luego, la diferencia que existe entre ellas se debe a la corriente de salida que pueden suministrar. Lo mismo es cierto para los acumuladores plomo-ácido. Una pequeña unidad de éstos tiene pocas placas que dan una tensión de salida de 2,2 voltios , la misma que uno de gran tamaño con numerosa cantidad de placas. Hay otras combinaciones de elementos químicos que dan varias tensiones diversas, pero no dependen de la cantidad.

 

EL VOLTAJE DE SALIDA DE UN ELEMENTO DEPENDE DEL TIPO DE PRODUCTOS QUIMICOS USADOS Y NO DE SU CANTIDAD

Para medir el voltaje de salida de una pila se utiliza un " voltímetro ". El voltímetro se conecta sobre los terminales de la pila y el voltaje se lee sobre la escala. Lo mismo se puede hacer con los acumuladores, pero en éstos, para que la lectura sea más real, se hace cuando se está descargando o "bajo carga".

Relaciones en las corrientes de salida de las pilas

La capacidad de corriente de una batería depende de la cantidad de material activo .

Hemos visto que si un alambre se conecta entre los terminales negativo y positivo de una pila, circula corriente por éste. El hecho de que los electrones dejan la pila y penetran en el alambre es la base para considerar a la pila (o a la batería) como una fuente de corriente. Mientras continúa la acción química, sigue el suministro de electrones. El poder de una pila para suministrar electrones en una cierta relación, se llama capacidad de corriente. La cantidad máxima de electrones suministrados depende del tamaño o de la cantidad de material activo en los electrodos, ocurriendo lo mismo con el electrólito. Esto explica por qué una pila grande suministra más corriente que una pequeña.

Cuando se expresa la capacidad de una pila ( práctica muy común en los acumuladores ), se hace por medio del número máximo de amperios que puede dar en una hora. Así, un acumulador de 20 Amperios-hora, es un elemento que puede suministrar una corriente de 20 amperios durante una hora, después de lo cual comienza a descargarse. Si la corriente de descarga es menor que su capacidad máxima, la pila puede suministrarla durante más tiempo que una hora. Por ejemplo, un acumulador de 20 Amperios-hora, puede dar 1 amperio durante 20 horas, de la misma forma, la capacidad de corriente será proporcionalmente más grande por un tiempo mas pequeño, como por ejemplo, 100 amperes por 1/5 de hora, o sea por 12 minutos. El producto de la corriente en amperios y del tiempo en horas no puede exceder la relación amperio-hora de una pila determinada.

El amperio-hora es una base para relacionar las baterías.

El amperio-hora u amper-hora es una medida de la vida útil de la batería antes de cargarla nuevamente.

Resistencia interna

Aunque la f.e.m. generada por una fuente es de gran importancia para cualquier aplicación, también es importante la corriente que es capaz de entregar. La f.e.m. depende de cómo esté hecha la fuente, pero la corriente depende de la resistencia que haya en el circuito.

Se da la circunstancia de que la fuente misma tiene una resistencia, y puesto que la corriente debe pasar por todo el circuito completo incluyendo la fuente, deberá tenerse en cuenta como parte de la resistencia total.

La presencia de resistencia interna en las pilas se demuestra fácilmente. Si se cortocircuita una pila, es decir, se conectan sus terminales directamente con un hilo de cobre fino, los efectos varían sorprendentemente (ver figura). En el caso de un acumulador plomo ácido de 2 V, el hilo de cobre se pondrá al rojo vivo y si tiene algún aislante probablemente se quemará. (¡Advertencia!: esto no es bueno para el acumulador.) Si se realiza esta experiencia con una pila seca, aunque tiene una f.e.m. más grande que el acumulador, no se producen efectos visibles en el hilo metálico.

Si se introduce un amperímetro en cada circuito probablemente indicaría 100 A en un caso, pero sólo 1 A en el otro. ¿Por qué la corriente del acumulador es mucho más grande que la corriente de la pila seca? La única explicación posible es que la resistencia que hay en el circuito es mucho más pequeña; es decir, que el acumulador plomo-ácido tiene una resistencia interna muy baja (aproximadamente 1/50 Ω) comparada con la resistencia de la pila seca (aproximadamente 10 Ω).

Figura -La resistencia interna reduce la corriente.

El valor de la resistencia interna de una fuente es importante para poder determinar el valor de la corriente que puede producir.

Claramente, la elección de una fuente puede depender mucho de la corriente que se necesite, tanto como de la f.e.m. La comodidad y la seguridad son factores que también pueden influir, por supuesto, pero en el caso de las baterías de los coches no hay casi posibles opciones; las pilas secas se utilizan a veces en equipos electrónicos, aunque las fuentes de alimentación son más económicas. Una resistencia interna considerable es una característica útil para evitar daños si se cortocircuita la fuente accidentalmente. Generalmente las pilas secas grandes tienen una resistencia interna menor que las pequeñas para el mismo voltaje.

Diferencia de potencial entre terminales y f.e.m. La ley de Ohm en circuitos completos

Cualquier fuente de electricidad tiene dos características que interesan al usuario: la f.e.m. (E) y la resistencia interna (r), las cuales se localizan entre sus dos terminales.

La fuente puede ceder una corriente (I) a una resistencia externa (R). La diferencia de potencial (V) que hay entre los terminales de la fuente es la que «ve» el circuito externo (ver figura). La fuente tiene, sin embargo, una f.e.m. que hace pasar la corriente a través de las resistencias interna y externa y debe producir el trabajo necesario para que cada culombio pueda pasar a través de R y r.

Figura -Diferencia de potencial entre terminales y f.e.m.

Por tanto, su f.e.m. se puede escribir como la suma de dos voltajes:

E = IR + lr              (1)

Para la resistencia externa tenemos que V = IR, con lo cual

E = V + Ir

donde V es la diferencia de potencial que cae en R (y entre los terminales de la pila), resultando que

V = E - Ir              (2)

Las ecuaciones (1) y (2) representan la relación que existe entre las magnitudes I y V en función de las propiedades de la fuente, que vienen dadas por E y r. Lo primero que se deduce de la segunda ecuación es que V es siempre menor que E cuando la fuente está cediendo una corriente, siempre que exista una resistencia interna r. Si r permanece constante (lo cual es aproximadamente verdad para pilas secas y fuentes de alimentación) se puede representar en un gráfico la relación entre V e l, siendo iguales V y E cuando no está circulando corriente (ver figuras).

Si la fuente no tiene resistencia interna (o es despreciable), es decir, que r es cero en la práctica, entonces V = E para cualquier valor de l. Los acumuladores tienen una resistencia interna muy pequeña y, por tanto, se puede considerar que mantienen una diferencia de  potencial fija, virtualmente coincidiendo con su f.e.m. Sin embargo, se debe tener cuidado con ellos, pues pueden producirse corrientes muy altas si tiene lugar un cortocircuito, siendo esto muy peligroso.

Pilas en serie y en paralelo

Conexión en serie. Frecuentemente se conectan pilas en serie formando baterías (por ejemplo, seis pilas Secas de 1,5 V forman una batería de 9 V) o se utilizan de forma separada pero en serie una detrás de otra en linternas o radios de transistores para obtener el voltaje deseado. Como se podría esperar, la f.e.m. y la resistencia interna resultantes son la suma de las que tienen por separado las pilas (ver figuras).

Figura -Pilas en serie.

Puesto que la f.e.m. y la resistencia interna aumentan, la corriente también aumenta de valor, pero no proporcionalmente al número de pilas. (Esto se puede comprobar en un caso simple utilizando la fórmula E = IR + Ir con E = 2 V, r = 2 Ω , R = 5 Ω, y después con tres pilas utilizando los valores E = 6 V, r = 6 Ω y R = 5 Ω.)

La principal ventaja de conectar pilas en serie consiste en que se puede igualar la resistencia interna con la resistencia externa; cuando ocurre esto hay una transferencia máxima de potencia .

Conexión en paralelo. Sólo se deben conectar en paralelo fuentes con f.e.m. igual, puesto que no debe haber circulación de corriente entre distintos puntos de las mismas. En este caso, la f.e.m. del conjunto permanece invariable, pero la resistencia interna se reduce, como se indica en la figura siguiente.

Figura -Pilas en paralelo.


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