La pila eléctrica

Introducción

La pila es un aparato que no sólo crea un desnivel eléctrico, sino que, además, lo mantiene. Pero ya sabemos que si un desnivel eléctrico se mantiene, puede entonces circular entre los cuerpos que están a distinto nivel eléctrico una corriente eléctrica. En cambio, las máquinas electrostáticas crean el desnivel, pero no lo mantienen, de modo que lo único que obtenemos de ellas es un pasaje de electricidad. La pila, más modesta, es capaz de suministrar una corriente eléctrica de bastante duración, de manera que tengamos tiempo de utilizarla; en cambio las descargas de las máquinas son tan rápidas, que nada podemos hacer con ellas. Tan importante resultó la invención de la pila -porque de esa manera el hombre obtuvo por primera vez una corriente eléctrica-, que desde 1800, año en que el físico italiano Alejandro Volta la inventó, el hombre ha hecho con la electricidad muchísimo más que en los 2.000 años anteriores, desde que Tales descubrió los fenómenos eléctricos. En menos de 150 años el hombre creó los motores eléctricos, las dinamos, las lámparas, el teléfono, la radio, el cine, la televisión. Repetimos, porque es capital: la importancia de la pila estriba en que es una bomba eléctrica, puesto que hace circular la electricidad de la misma manera que las bombas hacen circular el agua.

Qué es la pila eléctrica

La pila eléctrica es el mecanismo que convierte la energía química en eléctrica. Todas las pilas consisten en un electrólito (que puede ser líquido, sólido o en pasta), un electrodo positivo y un electrodo negativo. El electrólito es un conductor iónico; uno de los electrodos produce electrones y el otro electrodo los recibe. Al conectar los electrodos al aparato que hay que alimentar, llamado carga, se produce una corriente eléctrica.

Las pilas en las que el producto químico no puede volver a su forma original una vez que la energía ha sido convertida (es decir, que las pilas se han descargado), se llaman pilas primarias o voltaicas. Las pilas en las que el producto químico puede ser reconstituido pasando una corriente eléctrica a través de él en dirección opuesta a la operación normal de la pila, se llaman pilas secundarias o acumuladores.

Historia de la pila eléctrica

La primera pila eléctrica fue la llamada pila voltaica, que fue dada a conocer por Volta en 1800 mediante una carta que envió al presidente de la Royal Society londinense. Se trataba de una serie de pares de discos (apilados) de cinc y de cobre (o también de plata), separados unos de otros por trozos de cartón o de fieltro impregnados de agua o de salmuera, que medían unos 3 cm de diámetro. Cuando se fijó una unidad de medida para la diferencia de potencial, el voltio (precisamente en honor de Volta) se pudo saber que cada uno de esos elementos suministraba una tensión de 0,75 V aproximadamente, pero ninguno de estos conceptos se conocía entonces. Su apilamiento conectados en serie permitía aumentar la tensión a voluntad, otro descubrimiento de Volta. El invento constituía una novedad absoluta y gozó de un éxito inmediato y muy merecido, ya que inició la era eléctrica en que actualmente vivimos, al permitir el estudio experimental preciso de la electricidad, superando las enormes limitaciones que presentaban para ello los generadores electrostáticos, que son los únicos que existían hasta el momento. Otra ctipo mas temprano onfiguración también utilizada y descrita por Volta para el aparato estaba formada por una serie de vasos con líquido (unos junto a otros, en batería), en los que se sumergían las tiras de los metales, conectando externamente un metal con otro.

Inmediatamente empezaron a hacerse por toda Europa y América innumerables pruebas con diversos líquidos, metales y configuraciones, tratando de mejorar las características del aparato original, cosa que pocas veces se consiguió, pero que originó una infinidad de distintos tipos de pilas, de los cuales no ha quedado memoria más que de los más notables.

La pila Daniell, dada a conocer en 1836 y de la que luego se han usado ampliamente determinadas variantes constructivas, está formada por un electrodo de cinc sumergido en una disolución de sulfato de cinc y otro electrodo de cobre sumergido en una disolución concentrada de sulfato de cobre. Ambos electrolitos están separados por una pared porosa para evitar su reacción directa. En esta situación, la tensión de disolución del cinc es mayor que la presión de los iones Zn++ y el electrodo se disuelve, emitiendo Zn++ y quedando cargado negativamente, proceso en el que se liberan electrones y que recibe el nombre de oxidación. En la disolución de sulfato de cobre, debido a su gran concentración de iones Cu++, se deposita Cu sobre el electrodo de este metal que, de este modo, queda cargado positivamente mediante el proceso denominado reducción, que implica la incorporación de electrones. Esta pila presenta una diferencia de potencial de 1,07 a 1,14 V entre sus electrodos. Su gran ventaja respecto a otras de su tiempo fue la constancia del voltaje generado, debido a la elaborada configuración, que facilita la despolarización, y a la reserva de electrolito, que permite mantener su concentración durante más tiempo.

La pila Grove (1839) utiliza como despolarizador el ácido nítrico HNO3. Su fuerza electromotriz es de 1,9 a 2,0 V. Originariamente utilizaba platino para el ánodo, pero Cooper y Bunsen lo sustituyeron luego por carbón. El cátodo era de cinc tratado con mercurio. Fue muy apreciada por su estabilidad y su mayor energía, a pesar del gran inconveniente que representa la emisión de humos corrosivos. El propio Grove elaboró, ese mismo año, una pila que producía energía eléctrica por medio de la recombinación de hidrógeno y de oxígeno, lo que constituye el precedente de los generadores contemporáneos conocidos como pilas de combustible.

La pila Leclanché, diseñada por Georges Leclanché en 1868, utiliza una solución de cloruro amónico en la que se sumergen electrodos de cinc y de carbón, rodeado éste último por una pasta de dióxido de manganeso y polvo de carbón como despolarizante. Suministra una tensión de 1,5 V y su principal ventaja es que se almacena muy bien, pues el cinc no es atacado más que cuando se extrae corriente del elemento.

Este tipo de pila sirvió de base para el importante avance que constituyó la pila denominada seca, al que pertenecen prácticamente todas las utilizadas hoy. Los tipos hasta ahora descritos eran denominados húmedos, pues contenían líquidos, que no sólo hacían inconveniente su transporte, sino que solían emitir gases peligrosos y olores desagradables. Las pilas secas, en cambio, estaban formadas por un recipiente cilíndrico de cinc, que era 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. Previamente se había realizado otro tipo de pilas secas, como la de Zamboni (1812), pero eran dispositivos puramente experimentales, que no proporcionaban ninguna corriente útil. La sequedad es relativa, en primer lugar porque un elemento rigurosamente seco no suministraría electricidad alguna, de modo que lo que se encuentra en el interior de las pilas es una pasta o gel, cuya humedad se procura por todos los medios conservar, pero además porque el uso y el paso del tiempo tienden a corroer el contendedor, de modo que la pila puede verter parte de su electrolito al exterior, donde puede atacar a otros metales. Por esta razón se recomienda extraerlas cuando no se utilizan durante mucho tiempo o cuando ya han trabajado mucho. Este inconveniente está muy atenuado en los productos de finales del siglo XX gracias a la utilización de recipientes de acero inoxidable, pero todavía se produce alguna vez.

Importantes en otro sentido han sido las pilas patrón, destinadas a usos de calibración y determinación de unidades, como la pila Clark (1870), de cinc y mercurio, cuya tensión era de 1,457 V, y la pila Weston (1891), de cadmio y mercurio, con 1,018 V. Estas tensiones se miden en vacío, es decir, sin tener ninguna carga externa conectada, y a una temperatura constante de 20 ºC.

Quien la inventó

En el año 2000 se celebró el bicentenario de la primera pila eléctrica: la pila de Volta. El 20 de Marzo del año 1800 Alessandro Volta comunica por carta al presidente de la Royal Society de Londres la primera noticia de su invento: la "pila a colonna" (conocida hoy en día como "pila de Volta"). Posteriormente, en el año 1801, Volta a requerimiento de Napoleón presenta en París su invento y lee su Disertación sobre la identidad del fluido eléctrico con el galvánico. Napoleón, en reconocimiento a sus aportaciones científicas, le otorgó el título de Conde nombrándole además Senador del Reino.

Volta fue un físico italiano, nacido en Como, que se interesó e investigó uno de los fenómenos más famosos en su época: la electricidad. En 1774 fue elegido profesor de Física en el Colegio Superior de Como y, tan sólo, un año más tarde inventó el electróforo. Este invento provocó que su fama se extendiera muy rápidamente y que en 1779 se le asignara la cátedra de la Universidad de Pavía donde prosiguió sus trabajos sobre la electricidad. Inventó otros aparatos como el electroscopio condensador o el eudiómetro y todo ello llevó a que más adelante fuera elegido miembro de la Royal Society de Londres.

Pero el trabajo que más fama le ha dado está relacionado con la corriente eléctrica. Galvani había comprobado previamente que un anca de rana podía experimentar contracciones cuando se colgaba de un hilo de latón con un contrapeso de acero. A partir de los experimentos de Galvani, Volta comprobó que el efecto era debido a la presencia de los dos metales y que poniendo en contacto esos dos metales, u otros, se podía obtener una corriente eléctrica. Sus investigaciones le llevaron a concluir que algunas combinaciones de metales producían mayor efecto que otras y, con sus mediciones, hizo una lista del orden de eficacia. Es el origen de la serie electroquímica que se utiliza hoy en día en química.

Volta inventó una serie de aparatos capaces de producir un flujo eléctrico. Para ello utilizó recipientes con una solución salina conectados a través de arcos metálicos. Conectando varios de esos recipientes consiguió la primera batería eléctrica de la historia. Para reducir complicaciones debido a la necesidad de utilizar soluciones, empezó a utilizar pequeños discos redondos de cobre y cinc y otros de paño o cartón en agua acidulada. De manera que los unía formando una serie: cobre, cinc, paño, cobre cinc, paño, etc.; todos ellos apilados formando una columna. Cuando unía los extremos de la "pila" mediante un hilo conductor, al cerrase el circuito se obtenía una corriente eléctrica.

La pila de Volta despertó un gran entusiasmo entre los científicos de su época y sirvió de impulso para los experimentadores de toda Europa (casi inmediatamente se descubrió que la corriente eléctrica podía descomponer el agua) y sirvió de base para los trabajos químicos de Davy y para el estudio de los fenómenos electromagnéticos que hizo Faraday. En los 200 años que han transcurrido desde entonces se han construido muchos modelos de pilas, pero todas ellas se basan en el mismo principio que la pila de Volta.

Avances de la pila

Un nuevo método de fabricación para las baterías de ión-litio podría conducir a baterías más pequeñas y ligeras que se puedan cargar en segundos. Unas baterías que se cargan tan rápido serían útiles para los coches híbridos y los eléctricos, en los que es necesaria una rápida sacudida de carga para acelerar. El enfoque solo requiere unos cambios simples en el proceso de producción de un material bien conocido. La nueva investigación ha sido publicada en la revista científica Nature. Debido al cóctel electrónico que portan, gramo por gramo, las baterías de ión-litio suelen ser baterías recargables que forman parte de la electrónica de consumo, como las de los portátiles. No obstante, tardan mucho en cargar; hasta ahora, los investigadores han asumido la existencia de un límite de velocidad en los electrones e iones de litio que pasaban por las baterías para formar un circuito electroquímico. Gerbrand Ceder, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en los EEUU, y sus colegas, utilizaron una simulación por ordenador para modelar los movimientos de los iones y los electrones en una variante del material de litio estándar conocido como fosfato de hierro-litio. La simulación indicó que los iones se movían a gran velocidad. "Si el transporte de los iones de litio era tan rápido, el problema tenía que estar en alguna otra cosa", señaló el Profesor Ceder. El problema resultó ser el modo en que los iones pasaban a través del material; lo hacen a través de túnele minúsculos, cuyas entradas están presentes en la superficie del material. Sin embargo, el equipo descubrió que para introducirse en estos canales, los iones debían estar posicionados directamente en frente de las entradas de los túneles; de lo contrario, no podían pasar. Ceder descubrió que la solución estaba en modificar con ingeniería el material de modo que incluya una especie de "correa" que guíe a los iones hacia las entradas de los túneles. Un prototipo de batería fabricado con la nueva técnica se podría cargar en menos de 20 segundos, en comparación con los seis minutos que se tardan con una muestra no modificada del material. 

Tipos de pilas

Pilas salinas, tipo Leclanché, o de zinc/carbono:

También denominadas "pilas secas", son las que se conocen como pilas comunes. Sirven para aparatos sencillos y de poco consumo, son las de menor precio.

Pilas alcalinas o de zinc/dióxido de manganeso:

El electrólito utilizado es hidróxido de potasio. Son las de larga duración. Casi todas vienen blindadas, lo que dificulta el derramamiento de los constituyentes. Sin embargo, este blindaje no tiene duración ilimitada. En principio, duran entre tres y diez veces más que las salinas.

Pilas de níquel/cadmio:

Están basadas en un sistema formado por hidróxido de níquel, hidróxido de potasio y cadmio metálico. Poseen ciclos de vida múltiples, y presentan la desventaja de su relativamente baja tensión. Pueden ser recargadas hasta 1.000 veces y alcanzan a durar decenas de años. No contienen mercurio, pero el cadmio es un metal con características tóxicas. Son las pilas recargables de más común uso doméstico.

Pilas de óxido de mercurio:

Son las más tóxicas, contienen aproximadamente un 30 % de mercurio. Deben manipularse con precaución en los hogares, dado que su ingestión accidental, lo que es factible por su forma y tamaño, puede resultar letal.

Pilas de zinc-aire:

Se las distingue por tener gran cantidad de agujeros diminutos en su superficie. Tienen mucha capacidad y una vez en funcionamiento su producción de electricidad es continua. Contienen más del 1% de mercurio, por lo que presentan graves problemas residuales.

Pilas de óxido de plata:

Son de tamaño pequeño, usualmente de tipo botón. Contienen 1% de mercurio aproximadamente, por lo que tienen efectos tóxicos sobre el ambiente.

Pilas de litio:

Producen tres veces más energía que las pilas alcalinas, considerando tamaños equivalentes, y poseen también mayor voltaje inicial que éstas (3 voltios contra 1,5 V de la mayoría de las alcalinas). Se utilizan en relojes, calculadoras, flashes de cámaras fotográficas y memorias de computadoras.

Pilas recargables:

Existe un tipo de pilas que una vez agotadas no dejan de ser útiles, porque se pueden recargar hasta 1.000 veces, por lo que su ciclo de vida es muy largo. Actualmente resultan más caras y precisan de un cargador especial, pero a la larga acaban siendo rentables y más económicas.

Experimentos

Motor magneto-hidrodinámico

Materiales:

Una pila.

Un imán.

Dos conductores de cobre.

Agua.

Sal.

Pimienta.

Un recipiente.

Procedimiento:

En el recipiente, elaborar una solución compuesta por agua, sal y pimienta. Apoyar el recipiente sobre un imán. A continuación, conectar en cada extremo de la pila un conductor de cobre. Seguido de esto, introducir los conductores dentro del recipiente. Notarás que el agua comienza a girar en sentido de las agujas del reloj. Si colocas la pila en dirección invertida, el agua girará para el lado contrario.

Motor en 30 segundos

Materiales:

Una pila.

Un pequeño imán.

Un clavo.

Cable de cobre.

Procedimiento:

El experimento es muy simple. Sólo debes disponer la punta del clavo en el polo positivo de la pila. A su vez, apoya el imán en la cabeza del clavo. Ahora simplemente tienes que darle pequeños toquecitos al imán con el cobre del cable, y notarás que éste comienza a girar sin caerse.

Electroimán

Materiales:

Un clavo de hierro de 7 centímetros de largo aproximadamente.

Un par de metros de cable de cobre.

Cinta adhesiva.

Una pila.

Clips.

Procedimiento:

Enrollar el cable sobre el clavo, prestando atención en que las vueltas queden lo más ajustadas posibles. Además, deben estar juntas pero sin que queden una arriba de la otra. Dejar los extremos del clavo libres, y unos cinco centímetros de cable sin enrollar en uno de los extremos. A continuación, cubrir todo con cinta adhesiva. Enrollar otra capa de cable, y repetir el procedimiento de la cinta adhesiva. Si te sobra alambre, sólo debes cortarlo. Seguido de esto, conecta la pila a los dos extremos del cable. Si acercas el clavo a los clips, notarás que éstos se pegan a él rápidamente. Si desconectas la pila, inmediatamente se caen.

Conclusiones

En este informe vimos como a partir de la investigación del científico Luigi Galvani, Volta pudo construir el circuito eléctrico utilizando pilas de discos de cobre y zinc separados por un paño humedecido en solución salina. Con el paso de los años John Frederc Daniell a partir del descubrimiento de volta desarrollo algo conocido como la "celda de Daniell" esta celda fue la primera en usar algunos de los elementos de la pila común que hoy conocemos.

Referencias

Fuente: SERNAC, Departamento de Estudios – 2003.

es.wikipedia.org/wiki/Anexo:Tipos_de_pila

www.terra.es/personal/lermon/cat/articles/evin0349.htm

www.duracell.mx/pilas

www.escolar.com/lecturas/ciencia/secretos-de-la-electricidad/un-aparatito-muy-util.html

Autor:

Juan Francisco Alvarado Mendoza