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