Tensión eléctrica
La diferencia de potencial, voltaje o tensión que produce un elemento electroquímico o celda electroquímica viene determinado por la naturaleza de las sustancias de los electrodos y del electrolito, así como por su concentración. Walther Nernst obtuvo el premio Nobel de química de 1920 por haber formulado cuantitativamente y demostrado las leyes que rigen este fenómeno.
Las propiedades puramente eléctricas de una pila se representan mediante el modelo adjunto. En su forma más sencilla, está formado por una fuente de tensión perfecta —es decir, con resistencia interna nula— en serie con un resistor que representa la resistencia interna. El condensador de la versión más compleja es enormemente grande y su carga simula la descarga de la pila. Además de ello, entre los terminales también aparece una capacitancia, que no suele tener importancia en las aplicaciones de corriente continua.
Una vez fijada la tensión, la ley de Ohm determina la corriente que circulará por la carga y consecuentemente el trabajo que podrá realizarse, siempre que esté, naturalmente, dentro de las posibilidades de la pila, que no son infinitas, sino que están limitadas fundamentalmente por el tamaño de los electrodos —lo que determina el tamaño externo de la pila completa— y por su separación. Estos condicionamientos físicos se representan en el modelo de generador como una resistencia interna por la que pasaría la corriente de un generador ideal, es decir, de uno que pudiese suministrar una corriente infinita al voltaje predeterminado.
Conforme la célula se va gastando, su resistencia interna va
aumentando, lo que hace que la tensión disponible sobre la carga vaya
disminuyendo, hasta que resulte insuficiente para los fines deseados,
momento en el que es necesario reemplazarla. Para dar una idea, una pila
nueva de las ordinarias de 1,5 V tiene una resistencia interna de unos
350 mΩ, mientras que una vez agotada puede aumentar considerablemente
este valor. Ésta es la razón de que la mera medición de la tensión con
un voltímetro
no sirva para indicar el estado de una pila. En circuito abierto,
incluso una pila gastada puede indicar 1,4 V, dada la carga
insignificante que representa la resistencia de entrada del voltímetro,
pero, si la medición se hace con la carga que habitualmente podría
soportar, la lectura bajará a 1,0 V o menos, momento en que esa pila ha
dejado de tener utilidad. Las actuales pilas alcalinas tienen una curva
de descarga más suave que las antiguas de carbón. Su resistencia interna
aumenta proporcionalmente más despacio.
Cuando se necesita una corriente mayor que la que puede suministrar
un elemento único, siendo su tensión en cambio la adecuada, se pueden
añadir otros elementos en la conexión llamada en paralelo,
es decir, uniendo los polos positivos de todos ellos, por un lado, y
los negativos, por otro. Este tipo de conexión tiene el inconveniente de
que, si un elemento falla antes que sus compañeros o se cortocircuita,
arrastra irremisiblemente en su caída a todos los demás.
En las características reacciones químicas, las que se producen
dentro de una pila son sensibles a la temperatura y, normalmente, se
aceleran cuando ésta aumenta, lo que se traducirá en un pequeño aumento
de la tensión. Más importante es el caso de la bajada, pues cuando se
alcanzan las de congelación muchas pilas pueden dejar de funcionar o lo
hacen defectuosamente, cosa de la que suelen advertir los fabricantes.
Como contrapartida, si se almacenan las pilas refrigeradas, se
prolongará su buen estado.
Duración fuera de servicio
Lo ideal sería que las reacciones químicas internas no se produjeran más que cuando la pila esté en servicio, pero la realidad es que las pilas se deterioran con el paso del tiempo, aunque no se usen, pues los electrodos resultan atacados en lo que se conoce con el nombre de acción local. Puede considerarse que una pila pierde unos 6 mV por mes de almacenamiento, aunque depende mucho de la temperatura. Actualmente, esto no constituye un problema grave pues, dado el enorme consumo que hay de los tipos corrientes, las que se ofrecen en el comercio son de fabricación reciente. Algunos fabricantes imprimen en los envases la fecha de caducidad del producto.Pila común
Las pilas secas, de zinc-carbono o pilas comunes están formadas por un recipiente cilíndrico de zinc, que es el polo negativo, relleno de una pasta electrolítica, y por una barra de carbón en el centro (electrodo positivo), todo ello sellado para evitar fugas.Las medidas aproximadas de una pila común son:
- Pila de 9 V: 50 mm × 26 mm × 17 mm.
- Pila AA: 50 mm de longitud y 14 mm de diámetro.
- Ventajas
- No se descargan si no están en uso.
- Desventajas
- Una pila puede llegar a contaminar 3 000 litros de agua
Pilas alcalinas
En 1866, Georges Leclanché inventa en Francia la pila Leclanché, precursora de la pila seca (zinc-dióxido de manganeso), sistema que aún domina el mercado mundial de las baterías primarias. Las pilas alcalinas (de «alta potencia» o «larga vida») son similares a las de Leclanché, pero, en vez de cloruro de amonio, llevan cloruro de sodio o de potasio. Duran más porque el zinc no está expuesto a un ambiente ácido como el que provocan los iones de amonio en la pila convencional. Como los iones se mueven más fácilmente a través del electrolito, produce más potencia y una corriente más estable.Las pilas secas alcalinas son similares a las pilas secas comunes, con las excepciones de que el electrolito es básico (alcalino), porque contiene KOH y la superficie interior del recipiente de Zn es áspera; esto proporciona un área de contacto mayor.
El ánodo está compuesto de una pasta de cinc amalgamado con mercurio (total 1 %), carbono o grafito.
- Cinc 14 % (ánodo)
- Dióxido de manganeso 22 % (cátodo)
- Carbón 2 %
- Mercurio: 0,5 a 1 % (ánodo)
- Hidróxido de potasio (electrolito)
- Plástico y lámina 42 %
- Descarga
- Ánodo: Zn (s) + 2 OH– (aq) → Zn(OH)2 (s) + 2 e–
- Cátodo: 2 MnO2 (s) + 2 H2O (l) + 2 e– → 2 MnO(OH) (s) + 2 OH–(aq)
- Global: Zn (s) + 2 MnO2 (s) + 2 H2O (l) → Zn(OH)2(aq) + 2 MnO(OH) (s)
No hay comentarios:
Publicar un comentario