Estudio de la Pila Seca

Introducción
Marco teórico
Análisis de los resultados de las tareas
Marco metodológico
Conclusiones y recomendaciones
Referencias
Anexos

Introducción

Al momento que se analiza el entorno donde el hombre de desarrolla, se observa que las plantas crecen, los animales se trasladan y que las máquinas y herramientas realizan las más variadas tareas. Todas estas actividades tienen en común que precisan del concurso de la energía. La energía es una propiedad asociada a los objetos y sustancias, ésta se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la naturaleza como en los cambios físicos, por ejemplo, al elevar un objeto, transportarlo, deformarlo o calentarlo.

En este sentido, esta también está presente en los cambios químicos, como al quemar un trozo de madera o en la descomposición de agua mediante la corriente eléctrica. La energía puede manifestarse de diferentes maneras: en forma de movimiento (cinética), de posición (potencial), de calor, de electricidad, de radiaciones electromagnéticas, etc. Según sea el proceso

Se puede señalar también, que la electricidad es una de las principales formas de energía usadas en el mundo actual. Sin ella no existiría la iluminación conveniente, ni comunicaciones de radio y televisión, ni servicios telefónicos, y las personas tendrían que prescindir de aparatos eléctricos que ya llegaron a constituir parte integral del hogar. Además, sin la electricidad el transporte no sería lo que es en la actualidad. De hecho, puede decirse que la electricidad se usa en todas partes. Tal es el caso de Las baterías o pilas como comúnmente se les conoce, que tiene más de 200 años de existencia, desde su primer modelo primitivo hasta lo modernos productos que existen en la actualidad, como pilas alcalinas, pilas recargables, etc.

Para efectos de esta investigación, es importante acotar que las pilas secas son un mecanismo que convierte la energía química en eléctrica, Las pilas primarias constan de productos químicos no pueden volver a su forma original una vez que la energía ha sido convertida, es decir, que las pilas se han descargado. Al analizar esta situación nos lleva a concluir en algunas dudas como lo es el hecho de saber ¿dónde surge este curioso invento? ¿Cómo está estructurada una pila? ¿Cómo es su funcionamiento? ¿Qué voltaje nos pueden generar algunas de estas pilas? ¿Cuáles son las magnitudes eléctricas? Estas interrogantes generan una serie de objetivos en los cuales basaremos la investigación.

OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN

Objetivo General

Demostrar el funcionamiento de una pila a través de una maqueta

Objetivos específicos

Investigar la evolución histórica de la pila y los diferentes tipos de pilas que existen.

Tareas:

1. Revisión documental en la biblioteca Rómulo Gallegos.
2. Investigación en material online.
3. Recorrido por diversas ferreterías para observar las pilas que se encuentran en el mercado.

Describir la estructura interna de una pila a través de una maqueta explicativa.

Tareas:

1. Revisión documental del material investigado.
2. Realización del boceto de la maqueta explicativa.
3. Compra de los materiales necesarios para la elaboración de la maqueta.
4. Elaboración de la maqueta explicativa.

Explicar el funcionamiento de la pila utilizando como recurso una maqueta.

Tareas:

1. Revisión documental del material investigado.
2. Resolver un ejercicio donde se calcule la cantidad de wats que genera una pila.
3. Organización de la exposición dentro del aula de clases.

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ÁRBOL DE OBJETIVOS:

CRONOGRAMA DE TAREAS:

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Marco teórico

EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LA PILA

Alrededor de los años 1800, El profesor de filosofía natural en la universidad de Pavia Alessandro Volta, creador de la unidad de medición de la diferencia de potencial o voltios, construyó el primer aparato conocido que generó corriente continua. Lo que hizo fue poner dos pequeños discos del tamaño de una moneda pequeña, uno de plata y el otro de zinc en un recipiente, separados por un material esponjoso como el cuero. Todo este conjunto estaba sumergido en agua salada o en otra solución alcalina. A este conjunto le podemos llamar una pila. Volta después de dio cuenta de que si ponía estas pilas una seguida de otra, unidas por tiras de metal se lograba que el voltaje final fuera mayor.

En 1813, Sir Humphrey Davy conecto una batería gigante en el sótano de la Sociedad Real Británica. Esta batería estaba hecha de 2,000 pares de platinas y tenía el tamaño de más o menos 100 m2. Con esta batería realizó muchos experimentos que permitieron un más profundo conocimiento de la naturaleza de la electricidad.

Poco a poco los científicos fueron mejorando la idea original de la batería de Volta y en 1860 George Leclanche de Francia desarrollo la primera batería utilizada ampliamente (la célula de zinc carbón) El ánodo era de zinc y una aleación de mercurio y el cátodo era un compuesto de dióxido de magnesio y un poco de carbón. Ambos: ánodo y cátodo fueron sumergidos en una solución de cloruro de amonio, que actuaba como electrolito. El sistema fue llamado: "la célula mojada". Aunque la idea de Leclache era barata fue desplazada en 1880 por la célula seca.

En el año 1920 un joven científico, Samuel Rubén y un también joven empresario llamado Philip Rogers Mallory se conocieron cuando Rubén visitó la fábrica de Mallory buscando un equipo que necesitaba para un experimento. Juntos vieron el futuro en sus proyectos y unieron la inventiva de uno con el poder de manufactura del otro. Esta unión que se mantuvo hasta la muerte de Mallory en 1975 fue la base de la empresa que todos conocen como Duracell International.

Las invenciones de Samuel Rubens revolucionaron la tecnología de las baterías. El creo la célula de mercurio que era mucho más eficiente que la que se utilizaba antes de zinc carbón. Este invento fue especialmente útil en la segunda guerra mundial.

En el año 1950 Samuel Rubén mejoró la batería alcalina de magnesio haciéndola más resistente, compacta y de una gran duración.La empresa Kodak introdujo cámaras con flash incorporado y necesitaba este tipo de pilas pero en el tamaño AAA. La empresa Mallory las creó.

Tipos de pilas

Las pilas pueden ser de forma cilíndrica, prismática o de forma de botones, dependiendo de la finalidad a la cual se la destine. Existen muchos tipos de pilas, estas en resumidas palabras se dividen en las primarias o pilas que son aquellas que una vez agotadas no es posible recuperar el estado de carga. Y las secundarias o baterías, son las que en las que la transformación de la energía química en eléctrica es reversible, por lo que se pueden recargar. Por tanto la cantidad de residuos generados es mucho menor.

Su categoría se señala con letras que normalmente vienen impresas en las pilas. La mayoría de las pilas y baterías contienen sustancias que hacen que, una vez estos productos llegan al final de su vida útil, se conviertan en residuos peligrosos. Entre los elementos peligrosos para la salud y ambiente que éstas pueden contener se encuentran el mercurio, plomo y cadmio. A continuación se mencionan algunos de los tipos de pila que existen hoy día en el mercado:

Zinc carbón: Son las pilas comunes, las llamadas secas, estas se fabrican desde principio de siglo. Se conocen también como pilas salinas o de leclanché. Estas constan de 5 unidades principales: la mezcla despolarizada, la pasta gelatinosa, el elemento de carbono, la capa de zinc y elemento sellado. Estas pilas contienen muy poco mercurio (aproximadamente 0,01%) o directamente no contienen. En este saco se comercializan con designación que hacen referencia a estas características como "verdes", "ecológicas", "green".

Pilas alcalinas: Son de larga duración o larga vida. Casi todas viven blindadas, sirven para aparatos complejos, de alto consumo. Contienen el 0,04% de mercurio, electrodo positivo o ánodo está formado por zinc dividido, mientras que el cátodo contiene dióxido de magneto. Electrolito es un alcal, de donde viene el nombre de pilas alcalinas.

Pilas en miniaturas o pilas botón: Son chatas, redondas y de tamaños reducidos, como botones. La industria electrónica requiere de ella, dad vez más. Se utilizan para audífonos, marcapaso, aparatos médicos, relojes y calculadoras. Entre ellas se puede encontrar.

Pilas botón de mercurio: pueden identificarse con la sigla MR. Garantizan energía por largo tiempo, contienen un 30% de mercurio.
Pilas botón de zinc-aire: Se las distingue por tener gran cantidad de agujeros diminutos en su superficie, fue concebida a principios de los 70´ como alternativa a las pilas botón de mercurio como ofrece mejores prestaciones y mayor capacidad, pero cuenta con una importante limitación como que para funcionar debe estar en contacto con el aire, por lo que sus aplicaciones son registradas. En el campo de la medicina, estas pilas ocupan prótesis mecánicas.
Pilas botón litio: Son las más grandes tipo botón. Producen tensiones altas de 3 rilteos. Sirven para calculadoras y relojes.
Pilas botón de oxido de plata: Son diminutas y se distinguen por la sigla SR se las encuentra muy poco en los comercios ya que por su alto precio no constituyen una alternativa económica, contienen 1% de mercurio.

Pilas de nicad níquel y cadmio: Recientemente se ha empleado con mayor frecuencia un nuevo tipo de pila seca-Nicad que puede ser recargada, por lo tanto tiene una vida útil mucho más prolongada que las pilas secas comunes(leclanché) – Se emplean en calculadoras, pulseras, relojes y equipos fotográficos. El ánodo es de cadmio y cátodo de óxido de níquel.

Partes de una pila

A continuación se describen las partes internas que conforman una pila seca, con su función, visible también en el anexo A

Contenedor: Es el recipiente de acero que contiene los ingredientes de la pila y que forma el cátodo, una parte de la reacción química.

Cátodo: es el electrodo negativo, en el cual los iones (átomos cargados eléctricamente) qué se dirigen del ánodo al cátodo reciben el nombre de cationes, es una mezcla de dióxido de manganeso y carbón. Los cátodos son electrodos reducidos por una reacción química.

Ánodo: es el terminal positivo en que la corriente eléctrica viaja en sentido positivo al negativo por el circuito externo, o sea transportada por cargas positivas. Es el zinc metal en polvo, son electrodos que se oxidan. Los iones que se dirigen del cátodo al ánodo tienen el nombre de aniones…

Separador: es el que se encuentra entre ánodo y cátodo es de una capa no-tejida de celulosa o de un polímero sintético. El separador debe permitir el paso de los iones y permanecer estable en la disolución de electrolito altamente alcalina.

Electrodos: es donde se lleva a cabo la reacción Electro-Química

Electrolito: es una solución de hidróxido de potasio en agua. El electrolito es el medio para el movimiento de los iones dentro de la celda y lleva la corriente dentro de la pila.

Colector: es un alfiler de bronce en el medio de la celda que conduce la electricidad hacia el circuito exterior.

Funcionamiento de una pila seca

El funcionamiento de una pila es sencillo, consiste básicamente en introducir electrones en uno de los extremos de un alambre y extraerlos por el otro. La circulación de los electrones a lo largo del alambre constituye la corriente eléctrica. Para que se produzca, hay que conectar cada extremo del alambre a una placa o varilla metálica sumergida en un electrolito que suele ser una solución química de algún compuesto iónico. Cuando ese compuesto se disuelve, las moléculas se dividen en iones positivos y negativos, que se mantienen separados entre sí por efecto de las moléculas del líquido. El electrolito que utilizó Volta era ácido sulfúrico; cada una de sus moléculas, al disolverse en agua, se descompone en dos protones H+ (iones positivos) y un ion sulfato SO4- (ion negativo). Las varillas metálicas de cobre y cinc constituyen los electrodos, que deben ser sumergidos en el electrolito sin que lleguen a entrar en contacto. La placa de cobre es el electrodo positivo o ánodo y la placa de cinc el electrodo negativo o cátodo.

Al reaccionar el electrolito con las varillas se produce una transmisión de electrones, que han sido extraídos de la placa de cinc, hacia la placa de cobre, con lo que los átomos de cinc son oxidados e incorporados a la disolución, según la reacción:

Zn —> Zn2++ 2e-

Esto ocurre así y no al revés, del cobre al cinc, porque los átomos de cinc tienen más tendencia que los de cobre a ceder electrones.

En la varilla de cobre se produce una reducción de los iones hidrógeno H+ de la disolución, ya que los electrones liberados por los átomos de cinc recorren el hilo conductor hacia la placa de cobre y son captados por los H+, que se convierten en átomos de hidrógeno y escapan en forma de gas. Estos electrones en movimiento son los que originan la corriente eléctrica.

Por su parte, los iones SO4- reaccionan con los cationes Zn2+ y se convierten en moléculas de sulfato de cinc.

2 H~+2e —> H2

Zn2+ + SO42- —> ZnSO4

Cuando se corta la conexión exterior entre las placas, los electrones no pueden desplazarse a lo largo del hilo de una placa a ¡a otra, con lo que se interrumpe la reacción. Este fenómeno es visible y explicado gráficamente en el Anexo B.

El dispositivo funciona mientras existan átomos de cinc para formar el sulfato correspondiente. Cuando la placa de cinc se ha desintegrado por completo ya no puede producirse la reacción, por lo que la pila ya no tiene uso. Por este motivo, las pilas de este tipo reciben el nombre de pilas primarias.´

Magnitudes eléctricasLa electricidad tiene tres magnitudes, que si bien, no son visibles, pero si son cuantificables, estas son:

Voltaje: Es la fuerza con la que circula la electricidad, su unidad es el voltio (V) y para medirlo se utiliza el voltímetro. El voltio es la unidad principal de medida del voltaje, pero tiene múltiplos y submúltiplos y las unidades de equivalencia para el voltaje se describen a continuación:

Milivoltio ( mv ) 0,001 V.
Voltio ( V ) 1 V.
Kilovoltio (Kv) 1.000 V

Intensidad: Es la cantidad de electricidad que circula por un conductor en un tiempo determinado y depende principalmente del consumo del receptor, su unidad es el amperio (A) , para medirlo se utiliza el amperímetro.

La intensidad se mide en serie para cualquier circuito eléctrico, el cable positivo al que lleva la corriente y el cable negativo al que va hasta el receptor.las unidades de equivalencia de la intensidad son:

Amperio (A) 1 A
Miliamperio ( ma ) 0,001 A
Microamperio (&µa) 0,000001 A

El amperio es una unidad muy grande, ( es el desplazamiento de unos 6 trillones de electrones en un segundo ) y no tiene múltiplos, pero sí que se utilizan submúltiplos.

Voltaje de las pilas secas

Resulta que las pilas se fabrican en diferentes estándares definidos, de tal manera que su utilización sea universal según los requerimientos; o sea un aparato que dice necesitar pilas "AA" esta consiste en una celda electroquímica de 51 milímetros da largo (sin considerar el terminal en fobvºrma de botón), con alrededor de 14 milímetros de diámetro. El voltaje de la pila AA es de aproximadamente 1,5 Volts o en el caso de las recargables 1,2 Volts. Lo que varía es su capacidad; esta se mide en miliamperios por hora, que es la medida mAh en la pila, lo que determina su duración y uso. La pila AAA, es un estándar, tal como en el caso anterior, pero de menor tamaño, típico para controles remotos. Esta mida 44,5 milímetros de largo, con un diámetro de 10,5 milímetros, y tiene también 1,5 Volts, tal como la AA y las recargables entregan 1,2Volts. Su capacidad es menor, estando en los 1000 mAh, un poco más o un poco menos, lo que las hace apropiadas para aparatos de menor consumo.

Análisis de los resultados de las tareas

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Marco metodológico

Esta investigación está estructurada por una introducción, objetivos generales y especifico, seguido de un árbol de Objetivos donde se señalan las tareas a realizar, mas explicadas en el cronograma de tareas, luego el marco teórico y el marco metodológico con su estructura enmarcada, consecutivamente el análisis de los resultados obtenidos de las tareas, las conclusiones y recomendaciones, seguida de las referencias bibliográficas y para finalizar los anexos.

Para logar los objetivos planteados en esta investigación, se formularon una serie de tareas descritas a continuación

Objetivo 1. Investigar la evolución histórica de la pila y los diferentes tipos de pilas que existen.

Tarea: 1.1. Revisión documental en la biblioteca Rómulo Gallegos:

Los investigadores se trasladaron a la Biblioteca Nacional Rómulo Gallegos, ubicada en la avenida Bolívar de San Juan de los Morros con el fin de recaudar información en los textos allí disponibles referentes a la evolución histórica, tipos de pilas, entre otros.

Tarea 1.2 Investigación en material online.

Se reviso desde una computadora el material disponible en distintas páginas web con el fin de recaudar información la obtenida referente a la evolución histórica, tipos de pilas, entre otros.

Tarea 1.3 Recorrido por diversas ferreterías para observar las pilas que se encuentran en el mercado.

Los investigadores se trasladaron por distintas ferreterías y tiendas ubicadas en el centro de San Juan de los Morros con el fin de observar y analizar cuáles son realmente las pilas que se encuentran en el mercado.

Objetivo 2. Describir la estructura interna de una pila a través de una maqueta

Tarea 2.1 Revisión documental del material investigado.

Se procedió al análisis del material investigado en las tares propuestas en el objetivo anteriores, para así comprender la estructura de la pila y poder elaborar la maqueta

Tarea 2.2 Realización del boceto de las maquetas explicativas.

Los investigadores realizaron un diseño, utilizando hojas blancas y lápices de colores con la posible representación de la estructura de la pila en la maqueta, y la manera en la cual se colocaran los objetos necesarios para la explicación de la el ejercicio planteado.

Tarea 2.3 Compra de los materiales necesarios para la elaboración de la maqueta.

Se compraron en la ferretería Casa Castillo, ubicada en la avenida Bolívar de San Juan de los morros los siguientes materiales: Hilo de cobre, pilas, imán, 2 laminas de anime, pinturas, pega, y se imprimieron imágenes necesarias para elaborar las maquetas

Tarea 2.4 Elaboración de la maqueta.

Los investigadores reunidos procedieron a la elaboración de las maquetas explicativas de la estructura interna de la pila, y el ejercicio planteado, según los bocetos realizados en la tarea 2.2, utilizando los materiales adquiridos en la tarea 2.3.

Objetivo 3. Explicar el funcionamiento de la pila utilizando como recurso una maqueta.

Tarea 3.1 Revisión documental del material investigado

Se reviso y analizo el material recaudado, con el fin de comprender como es el funcionamiento de una pila, y puntualizar cuales son las formulas físicas para el cálculo del voltaje eléctrico que estas generan

Tarea 3.2 Resolver un ejercicio donde se calcule la cantidad de wats que genera una pila.

Los investigadores plantearon luego del análisis de la información recaudada, una situación en la que se aplique la fórmula del cálculo de Wats que generan 2 pilas, posteriormente resuelto y expuesto en el Anexo C y en la maqueta numero 2

Tarea 3.3 Organización de la exposición dentro del aula de clases.

Los investigadores distribuyeron todos los aspectos de la investigación para la posterior defensa en el aula de clases.

Conclusiones y recomendaciones

Luego de recolectar y analizar una amplia gama de información, a través de una serie de tareas planteadas para el logro de los objetivos propuestos, se puede concluir con que se denomina pila a un sistema compuesto por diversos elementos físicos y químicos necesarios para desencadenar una reacción química que al transformarse en energía eléctrica genera un voltaje útil para el uso cotidiano de la sociedad.

Como se observo durante la investigación existen muchos tipos de pilas y baterías, que luego de un desarrollo a través de la historia se llego a lo se ve en el mercado hoy en día, se analizo la estructura física y el complejo proceso de transformación de la energía de algo tan común como una simple pila , esta genera distintos voltajes según su estructura interna y que se encuentra en el mercado a disponibilidad de cualquier consumidor, aunque también se observo que es un artículo de mucha utilidad, pero con efectos contaminantes al medio ambiente ya que Según estudios especializados, una pila de mercurio puede llegar a contaminar 600.000 litros de agua, una de zinc 12.000 litros, una de óxido de plata 14.000 litros y una pila común 3.000 litros si deja mal ubicada en algún lugar expuesto al medio ambiente. Al descomponerse la capa protectora que recubre una pila, se liberan los metales que contienen y entonces se produce la contaminación.

Se recomienda darle el uso adecuado a este objeto de tanta utilidad y desecharlo en los lugares correspondientes, para evitar la contaminación del medio ambiente, y dar a conocer más el funcionamiento y estructura interna de la pila a través de de recursos didácticos como la maqueta, ya que es más complejo de lo que comúnmente se cree.