pilas y acumulador

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CONCEPTOS PREVIOS

El átomo:

Átomo neutro : # electrones = # de protones Átomo cargado positivamente : # electrones < # protones Átomo cargado negativamente : # electrones > # protones

Todos los efectos eléctricos son producidos ya sea por el desplazamiento de electrones de un lugar a otro, o debido a que hay demasiados, o muy pocos, en un lugar determinado en un momento dado.

Conductores : Son materiales que tienen mucho electrones libres, los cuales se hallan en las orbitas exteriores de los átomos y no están ligados con mucha fuerza, estos pueden ser desprendidos de los átomos con facilidad. Por consiguiente, permiten que los electrones se desplacen a través suyo.

Ejm: Plata, cobre, oro, etc.

No Conductores También conocidos como aislantes, son materiales que tienen pocos electrones libres, impiden el flujo de electrones a través suyo.

Ejm : Vidrio, cerámica, plásticos, etc.

Autor: Ing. Luis Ramírez H.

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PILAS Y ACUMULADORES

PILAS ELECTRICASEs todo dispositivo que convierte la energía química en energía eléctrica.La tensión eléctrica conseguida en una pila eléctrica depende, antes que nada, de la naturaleza de los cuerpos en contacto, también aunque en menor grado, del estado físico de estos cuerpos y de su temperatura.Metales que pueden usarse en una pila eléctrica

Potasio BismutoSodio HierroAluminio CobreZinc PlataPlomo OroEstaño PlatinoAntimonio Carbono

Disolución: Es el proceso de mezcla de una sustancia solida liquida o gaseosa con otra sustancia liquida.La otra sustancia liquida recibe el nombre de disolvente, la sustancia disuelta se denomina solución o soluto. Ejemplos:Acido sulfúrico disuelto en agua. Se dice una solución de acido sulfúrico

Ionización: Es la separación de las moléculas de una sustancia en iones positivos y iones negativos.Acido sulfúrico SO4 H2 es separado en el agua en H2

+, S04 - S04

-

Cuando se introduce una platina de zinc en una disolución de acido sulfúrico, este elemento tiende a disolverse, formando iones positivos, con lo que se produce un gran aumento de iones positivos en la disolución, quedando el zinc cargado negativamente.Si ahora introducimos en la disolución una platina de cobre, este elemento también produce iones positivos, pero en menor cantidad al disolverse en el agua acidulada. Esto implica que la carga negativa contenida es mucho menor que en el zinc. Es decir que respecto al zinc, el cobre esta cargado positivamente. Esto implica que se produzca una diferencia de potencial entre el cobre y el zinc.Si es conectado o unimos con un hilo conductor exterior ambos electrodos el exceso de electrodos o carga eléctricas negativas contenida en las barras de zinc pasa por este hilo conductor hasta el cobre.


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Como el cobre es buen conductor, los electrones pasan a la disolución neutralizando los iones positivos del acido sulfúrico ionizado. Esto implica que se disuelvan mas iones positivos de zinc aumentando por lo tanto los iones negativos en el zinc. Este proceso se produce en forma continua mientras exista el zinc. Cuando este se agota, también se agota la pila.

En el caso de las pilas eléctricas, la disolución empleada (acido sulfúrico) se le llama en general electrolito

POLARIZACIONCuando una pila eléctrica lleva algún tiempo en funcionamiento, puede observarse que la corriente producida disminuye progresivamente sucede algo así como si la fuerza electromotriz de la pila experimentase una progresiva disminución o como si la resistencia del electrolito aumentase.Este fenómeno se denomina polarización y es debido a que los iones positivos que se neutralizan en el cobre son iones de hidrogeno que al neutralizarse, producen hidrogeno gaseoso el cual va acumulando en forma de burbujas sobre la superficie del electrodo de cobre, aislando a este del electrolito, con el cual dificulta el paso de la corriente eléctrica hasta que cesan las reacciones que produce dicha corriente (figura nº 3).

DESPOLARIZACION

Si se quiere evitar, o al menos disminuir el efecto polarizante, hay que procurar que el hidrogeno que resulta de la descomposición del agua acidulada se fijen sobre el electrodo positivo, para lo cual se recubre este electrodo con una sustancia que reaccione con el hidrogeno.A esta sustancia se le llama despolarizante y por lo general se trata de un componente oxigenado que al contacto con el hidrogeno, se combina con este formando agua.Casi siempre, el despolarizante se separa del electrolito por medio de un vaso poroso, que permite el paso de los iones positivos hacia su interior pero que evita que el despolarizante pase hacia el exterior, extendiéndose por el electrolito (figura nº 4).Despolarizantes Usados: Sulfato de cobre, bióxido de magnesio, acido nítrico el sulfato de mercurio y en las pilas modernas industriales, el aire.

ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UNA PILA ELECTRICA

1. Electrodo positivo 3. Electrolito2. Electrodo negativo 4. Despolarizante


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CONSTANTES DE UNA PILA ELECTRICA

Desde el punto de vista de la energía utilizable, el funcionamiento de una pila eléctrica esta caracterizada por los valores de las siguientes magnitudes:1. Fuerza electromotriz2. Resistencia interior3. Corriente de régimen4. CapacidadEstas magnitudes son sensiblemente independientes de las condiciones de trabajo de la pila.

1. Fuerza Electromotriz Es la magnitud que hace posible la circulación de la corriente eléctrica cuando se

cierra el circuito. Es independiente de las dimensiones de la pila, depende casi exclusivamente de la naturaleza de los elementos que constituye la pila.La fuerza electromotriz varía algo de valor con la concentración de los líquidos y con su temperatura.

2. Resistencia Interior de una Pila Eléctrica

En el interior de las pilas eléctricas los electrones atraviesan el electrolito desde el bornepositivo al borne negativo. Por lo tanto el electrolito actúa como un conductor eléctrico, y como tal ofrecerá cierta resistencia eléctrica al paso de la corriente, a esta resistencia se le denomina resistencia interior de la pila.La resistencia interior de una pila eléctrica dependerá; esencialmente de los siguientes factores:a) Dimensiones de los electrodos (tanto mayor cuanto menores sean estas dimensiones).b) Separación entre los electrodos (tanto mayor cuanto mayor sea esta separación)c) Grado de concentración del electrolito (tanto mayor cuanto menor sea la concentración).d) Naturaleza del electrolito e) Temperatura del electrolito (tanto menor cuanto mayor sea la temperatura)

3. Corriente de Régimen de una Pila Eléctrica

Si llamamos:I = Intensidad de corriente de una pila, con el circuito exterior cerrado E = Fuerza electromotriz de la pilar = Resistencia interior de la pilaR = Resistencia exterior del circuito

La corriente eléctrica suministrada por una pila eléctrica, valdrá.I = E / (R+r)

Llamaremos corriente de régimen a la corriente máxima que puede producir la pila sin polarizarse. Por encima del valor de la corriente de régimen, la producción de iones de hidrogeno es tan rápida que el despolarizante no puede impedir que estos iones se fijen sobre el electrodo positivo; como consecuencia, la fuerza electromotriz de la pila disminuye de valor.


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La corriente de régimen depende, esencialmente, de las sustancias que constituyen la pila y de las dimensiones de la pila, siendo mayor cuanto mayor son estas dimensiones.

Capacidad de una Pila Eléctrica.La capacidad de una pila eléctrica, es la cantidad de electricidad que puede suministrar hasta su completo agotamiento. Por lo general se expresa en Amperios- Horas. La capacidad es directamente proporcional a las dimensiones de los elementos que constituyen la pila, e inversamente proporcional a la corriente suministrada por la pila.

PILAS DE ELECTROLITO SOLIDOEl electrolito esta en el estado sólido a la temperatura de funcionamiento. Ejemplo:Electrolito de sal sólida cristalizada, el electrolito es una sal metálica conductora.(Ejemplo yoduro de plata) en las que están disueltas algunos iones metálicos (iones de plata en nuestro ejemplo) que actúan como partículas conductoras . Estas pilas tienen una resistencia interior elevada, pero tiene una duración muy larga.

PILAS DE ELECTROLITO PLASTICO

El electrolito se utiliza materiales plásticos adecuados (Ejemplo polietilen - glicol) en los que se disuelve una pequeña cantidad de sal metálica, cuando el plástico esta fundido. La resistencia interior es elevada y la densidad de corriente muy pequeña 15 x 10-9 A/cm2 se usa para fuentes de tensión de larga vida en tamaño miniatura.

PILAS DE RESERVALas pilas de reserva permanecen inactivas durante todo el tiempo que sea preciso, procediéndose a su activación cuando se necesita que sea puesta en funcionamiento. Se han desarrollado varios tipos.1) Las pilas activadas por agua2) Las pilas activadas por electrolitos3) Las pilas activadas por gas4) Las pilas térmicas.

ACOPLAMIENTO DE PILAS ELECTRICASLas pilas eléctricas se pueden acoplar de tres formas distintas.

1) Acoplamiento en Serie.Las propiedades de este acoplamiento son las siguientes.a) La fuerza electromotriz de la batería es igual a la suma de las fuerzas electromotrices de todos los elementos.b) La resistencia interior de la batería es igual a la suma de las resistencias interiores de cada elemento.c) Si todos los elementos de la batería tienen la misma corriente de régimen, la corriente de régimen de la batería es igual a la de un solo elemento.d) Todos los elementos producen la misma corriente, luego si son idénticas, cuando uno de ellos este gastado lo estarán todos los demás. Es decir la capacidad total de la batería será igual a la capacidad de un solo elemento.

2) Acoplamiento en paralelo de pilas eléctricas.Se supone que los elementos que constituyan la batería son idénticos.El acoplamiento en paralelo tiene las siguientes propiedades:


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a) La fuerza electromotriz de la batería es igual a la fuerza electromotriz de un solo elemento.b) Resistencia interior de un elemento, dividido por el número de elementos.c) La corriente de régimen total es igual a la suma de las corrientes de régimen de todos los elementos.d) La capacidad total es igual a la suma de las capacidades de todos los elementos.

ACUMULADORES DE PLOMOLos acumuladores a diferencia de las pilas que generan electricidad, estos los acumulan o lo almacenan. Desde el punto de vista químico disponemos, dentro del acumulador, de los siguientes cuerpos:1) El plomo (Pb)2) El oxigeno (O) contenido en el agua y en el ácido sulfúrico 3) El hidrogeno (H), contenido en los mismos elementos que el anterior.4) El azufre (S), contenido con el ácido sulfúrico.

Al paso de la corriente eléctrica estos cuerpos simples reaccionaran químicamente y formaran nuevos elementos.1) Plomo puro (Pb)2) Peróxido de plomo (PbO2)3) Sulfato de plomo (SO4Pb)4) Acido sulfúrico (SO4H2)5) Agua pura (H2O)Analizaremos los fenómenos químicos en un acumulador plomo-ácido(fig Nº 5). Cuando está totalmente cargado, las placas negativas (electrodos) son de plomo y las positivas de peróxido. El electrólito es ácido sulfúrico y agua. Si conectamos un conductor entre el terminal positivo y el negativo, circula corriente y la pila comienza a descargarse. Durante la descarga disminuye el contenido de ácido del electrólito y se deposita sulfato de plomo (PbSO4) sobre ambas placas, positiva y negativa. Aumenta por lo tanto la cantidad de agua. este proceso continúa hasta que ambos electrodos contienen un máximo de sulfato de plomo y la densidad del electrólito es muy baja. Al llegar a ese punto, dado que ambos electrodos no son diferentes, f.e.m. entre ellos es mínima.

El acumulador puede ser recargado invirtiendo la dirección de la corriente de descarga. Esto se hace conectando el terminal positivo de la batería al terminal positivo del cargador de baterías. Durante el proceso de carga la placa negativa retorna al plomo y la positiva al peróxido. El sulfato retorna al electrólito y aumenta la densidad de éste. Durante la carga, se desprende hidrógeno y oxígeno, y se debe agregar algo de agua al electrólito para reemplazar la que se ha perdido. Esta es la razón por la cual se agrega agua a la hatería del automóvil dos o tres veces al año

FIGURA Nº 5


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Partes constituyentes de un acumulador de plomo.a) Recipiente, b) Placas, c) Separadores, d) electrolitos, e) conexiones.

1) Recipiente: Es el contenedor encargado de sostener en su interior el conjunto de placas y demás accesorios de las mismas y el electrolito.

2) Placas: Constituye el corazón de la batería las placas de plomo

El número de placas de que consta. Un acumulador está relacionado con la intensidad que puede proporcionar la batería. Es decir el número de Amperios-Horas

3) Separadores: Tiene la función de evitar que placas de diferentes signos puedan hacer contacto, estos separadores generalmente son finas láminas de madera de cedro, pueden ser tiras de goma.

4) Electrolito: Compuesto por ácido sulfúrico puro y agua destilada que debe tener una densidad de 1.150.

5) Conexiones: Está formado por piezas conectoras encargado de transportar la electricidad de uno a otro elemento de la batería.

Características de funcionamiento de los acumuladores de plomo.

1) Características de Carga.Durante la primera carga es necesario efectuarlos con un reóstato para limitar la corriente.

Donde R = ri+ re

a) Debe interrumpir la carga cuando el voltímetro marque 2.2V/celda.


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b) Al final de la carga, la corriente descompone el electrolito, se desprenden abundantes gases que remueven las partículas depositadas en el fondo del recipiente, enturbiándolo el electrolito.c) La densidad del electrolito aumenta continuamente durante toda la carga. Se usa el densímetro para su medición

2.-Características de Descarga

Al comenzar la descarga cada elemento vale 22V, cae bruscamente a 2V y se mantiene sensiblemente constante en ese valor hasta que ha terminado de la descarga. En ese momento cae bruscamente a 1.8V lo que indica que la batería ha quedado descargado.

Características técnicas de una batería de Acumuladores.a) Capacidadb) Intensidad de carga y descarga c) Tensión de carga y descargad) Energía utilizablee) Rendimiento.

a) Capacidad.- Se llama capacidad de un acumulador, a la cantidad de electricidad que puede almacenar y se mide en Amperios- Hora Ejemplo.

Capacidad Intensidad de Duración de laA-H Descarga en Amp. Descarga -Horas135 45 3150 30 5166 22 7.5181 18 10

b) Intensidad de Carga y DescargaLa corriente de descarga está estrechamente relacionada a la duración de la descarga y a la capacidad de la batería. Las intensidades de descarga para cada tipo de batería son proporcionadas por los fabricantes.Se considera descargas lentas las que están comprendidas entre 3 y 10 horas y descarga rápidas, las comprendidas entre 1 y 2 horas. Los elementos construidos por el fabricante para descarga lenta, pueden utilizarse, excepcionalmente, para regímenes de descarga rápida.Todos los elementos proyectados para descarga rápida pueden suministrar picos de corriente de cierta duración (del orden de algunos segundos) siempre que la corriente de pico no sea mayor que el doble de la capacidad del elemento en una hora. Por ejemplo, una batería de descarga rápida cuya capacidad sea 185 Amperios – Hora para descarga de una hora, puede suministrar un pico de corriente Imax = 2 x 185 = 317A.En lo que se refiere el régimen de descarga, generalmente consideran los fabricantes como intensidades normales, las correspondientes al régimen de descarga, generalmente consideran los fabricantes como intensidades normales, las correspondientes al régimen de descarga en 5 horas, para los elementos de descarga lenta, y al régimen de descarga en 3 horas, para los elementos de descarga rápida.

3. TENSIONES DE CARGA Y DESCARGAComo hemos visto anteriormente


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La tensión de reposo es siempre la misma, para una temperatura dada, que ha 15ºC resulta ser 2.08V por elemento, la tensión máxima de carga puede alcanzar 2.73V.

4. RENDIMIENTOHay dos tipos de rendimiento, en cantidad, en energía.

c) Rendimiento en cantidad, es la relación entre las cantidades de electricidad de descarga y de carga respectivamente expresada en Amperios – hora. Teóricamente este rendimiento es del 100% es decir cantidad de electricidad almacenada en el acumulador, y preparado para la descarga, es la misma acumulada durante la carga. Sin embargo, en la práctica, sucede que una parte de la corriente de carga, especialmente al final de la misma, se amplía en descomponer el agua y , como consecuencia de esto, es mayor el número de Amperios –Hora de carga, que el número de Amperios - Hora disponible para la descarga. Este rendimiento es en general para los acumuladores del 90%.

RENDIMIENTO EN ENERGIA: Es la relación entre la energía utilizable en el acumulador, la energía que ha sido necesaria suministrarle para la carga completa. La energía utilizable de un acumulador es la que puede suministrar estando completamente cargado, hasta su descarga total. Se mide en vatios – hora, y se obtiene multiplicando su capacidad en Amperios-hora por la tensión media que proporciona durante la descarga.

Si la tensión media de carga es 2.32v y tensión media de carga es 1.92v

Ventajas de los Acumuladores de Plomo1) Su elevada fuerza electromotriz por elemento2) Su bajo costo

Desventajas1) Vida bastante limitada/ perdida de electricidad almacenada de la sulfatación2) Sensible al fenómeno de la sulfatación (sulfato de plomo).esto se debe por descarga rápida con valor elevado de salida de corriente y por electrolito debajo del nivel adecuado

ACUMULADORES ALCALINOS

Las baterías que no tiene el fenómeno de la sulfatación, reciben el nombre d alcalina.

Constitución de un acumulador alcalino

1.Recipiente de acero de níquel de superficie ondulada2. Materia activa de acero al níquel , (armazón de la placa)3. Electrolito que se compone de lejía potásica, la cual consiste en una solución de potasaacústica de peso específico 1.2 aunque este peso puede variar de 1,162 a 1,23La ecuación química que se produce viene establecida por la siguiente reacción.


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El electrolito no tiene parte en el proceso de la reacción.

Ventajas de los acumuladores alcalinas

1) La gran resistencia mecánica del conjunto.2) No es posible que se produzca la sulfatación. Es precisamente la que acorta la vida de las baterías de plomo.3) La posibilidad de resistir sin deterioro grandes corrientes, hasta incluso corto circuito.4) Conservación y almacenamiento de la energía almacenada.5) No sufren perjuicios debido a bajas temperaturas. El electrolito no se solidifica6) No hay el peligro de corrosiones.

Una batería se considera cargada cuando su fuerza electromotriz, cargando a intensidad constante, permanece estacionaria durante unos 15 minutos, aunque se continúe la carga(1.75V).

Una batería se considera descargada cuando la fuerza electromotriz del elemento baja hasta 1V aproximadamente. En el momento de la descarga el voltaje por elemento es de 1,3v, luego baja a 1.2V en este valor se mantiene durante casi todo el proceso de la descarga.

C apacidad de los acumuladores alcalinos La capacidad de los acumuladores alcalinos permanece prácticamente sin variación para los distintos regímenes de descarga.La capacidad nominal de un acumulador alcalino, es la correspondiente a una descarga de 5 horas.

Intensidades de carga y descarga

Se considera corriente normal de un acumulador alcalino, a la correspondiente a un régimen de descarga de 5 horas.I = 0,2C

Tensiones de carga y descarga

1) Para los elementos de hierro-níquel: La tensión máxima de carga es, aproximadamente de 1.82V por elemento la tensión media de carga (para una corriente normal) es de 1.67V por elemento. La tensión de carga debe poder regularse entre 1.5V y 1.82V, por elemento.2) En los elementos de cadmio - Níquel , la tensión máxima de carga es de 1.75V /por elemento siendo la tensión media de 1.62V aproximadamente. En este tipo de acumuladores, la tensión de carga debe poder regularse de 1.4V – 1.75V/ por elemento.3) Si la descarga se hace en régimen normal de 5 horas la tensión media de descarga es de 1.21V por elemento para los acumuladores de Hierro - Níquel , de 1.165V para los elementos de Cadmio-Níquel4) La tensión final de la descarga es de 1V para los acumuladores de Hierro-Níquel, de 0.95V para los de Cadmio- Níquel


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Rendimiento.-El rendimiento en cantidad (es decir en Amperios-H) de una batería de acumuladores alcalinas, puede establecer en condiciones normales en 0.75.

Duración.- Debido a las excepcionales condiciones de los acumuladores alcalinas, su duración es muy larga después de muchos años de servicio pueden durar de 15 a 20 años.

Influencia de la Temperatura.- Para altas temperaturas aumenta la capacidad (T<45ºC).Para bajas temperaturas disminuye algo la capacidad de los acumuladores. Ejemplo para -10ºC la capacidad es de 80% de su nominal. Esto es temporal porque en la descarga el acumulador eleva su temperatura y esta influye para mantener su capacidad.

Sistema de Carga de las Baterías de los Acumuladores1) Carga a corriente constante2) Carga a tensión constante3) Carga a corriente decreciente

Carga de Mantenimiento(floating): Se define como la corriente mínima que es necesario suministrar a una batería para mantener la densidad de su electrolito a un valor constante, si este valor es muy elevado se produce desprendimiento de gases, y si es demasiado débil, la batería se descarga lentamente. Las de Níquel-Cadmio no requiere de esta corriente (floating)Cuando las baterías deben someterse a ciclos repetitivos de carga y descarga, se utiliza el sistema de carga a corriente constante.La carga a tensión constante tiene aplicaciones limitadas, a causa de la excesiva corriente inicial. Se emplea por ejemplo para la carga de batería en locomotoras Diesel - eléctricas, los cuales no quedan nunca completamente descargados en servicio.La carga a corriente decreciente puede considerarse intermedio entre la carga a corriente constante y a larga a tensión constante. Este sistema de carga es muy empleado, sobre todo en instalaciones en que el suministro de energía se realiza por medio de rectificadores conectadas a una red de corriente alterna.La carga intermitente es un sistema relativamente moderno, que puede emplearse para la carga automática de baterías en servicio o para mantener su buen estado de carga una batería que ha de permanecer largo tiempo fuera de servicio.Regulación de la carga de baterías de acumuladores a partir de una alimentación de corriente alterna.1) Regulación por resistencia2) Regulación por inductancia3) Regulación por transformador de tomas4) Regulación por autotransformador de variación continúa5) Regulación por tiristores.

Son Contaminantes: En la composición de las pilas secas se incluye metales pesados como el plomo,el Cadmio,el mercurio. Todo son peligrosos para el ambiente.Pero el más pernicioso de ellos es el mercurio pues, una vez liberado en la naturaleza, puede reaccionar con determinadas bacterias y transformarse en metil- mercurio, un compuesto que afecta gravemente a los organismos vivos. Por ello es tan importante realizar una correcta eliminación de estas pilas (especialmente la de botón) para su reciclado


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pilas y acumulador

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