La Pila y El condensador

Descripción, funcionamiento y características de la pila y el condensador.


La Pila

La pila es un dispositivo que genera corriente continua constituido por dos placas de distinta naturaleza química o electrodos sumergidos en una disolución electrolítica. La primera pila eléctrica fue construida por A. Volta en 1800. En ella, una serie de discos de cobre y cinc aislados entre sí por unas capas de paño empapado en ácido mezclado con agua lograban establecer una diferencia de potencial entre el último disco de cobre (ánodo) y el primero de cinc (cátodo).

La energía que se extrae de una pila es resultado de las reacciones químicas que se establecen entre los electrodos y la solución electrolítica como consecuencia de su distinta afinidad electrónica Al introducir, por ejemplo, cobre y cinc en una disolución de sulfato de cobre y sulfato de cinc, algunos de los átomos de los electrodos se ionizan (pierden algún electrón) y pasan a la solución. Al ser diferentes los potenciales de ionización de ambos electrodos, es decir, su capacidad para perder electrones, se crea una distinta concentración de electrones libres entre los electrodos, es decir, una diferencia de potencial que puede utilizarse como generadora de corriente eléctrica.

Una pila se caracteriza por dos parámetros: la fuerza electromotriz (fem), o trabajo necesario para mover las cargas, que suele ser del orden del voltio, y la resistencia interna, que expresa la energía que se disipa de forma irreversible como intercambio de calor por efecto Peltier entre la pila y el medio externo.

Termodinámicamente, el balance de la conversión de energía química en energía eléctrica se puede expresar por la relación:

W = – DU + T dE/dT
Donde DU expresa la disminución de energía interna resultado de la reacción química, E expresa la fuerza electromotriz y T la temperatura.

Funcionamiento de la pila electroquímica

En las interfases entre la disolución electrolítica y los electrodos se verifican las siguientes reacciones químicas:

  • Ánodo: se produce una reacción de oxidación, en la cual los átomos del metal que forma el electrodo pierden algunos electrones, quedando ionizados y pasando a formar parte de la disolución. Como ejemplo, para la pila de cinc y cobre del anterior ejemplo, la reacción es la siguiente:
    Zn (sólido) –> Zn2+ + 2 e-

Los dos electrones obtenidos por átomo pueden pasar a través de un circuito eléctrico exterior del ánodo al cátodo, formando entonces la corriente eléctrica.

  • Cátodo: la reacción que ocurre es de reducción, durante la cual los electrones extra provenientes del ánodo se combinan con los iones de la misma especie química que se encuentran en la disolución, formándose átomos metálicos que se depositan sobre el cátodo en forma sólida. En la pila de cinc-cobre esta reacción es:
    Cu2+ + 2 e- –> Cu (sólido)

El proceso químico y, por tanto la producción de energía eléctrica, continuará hasta que todo el cinc se haya disuelto.

Durante el funcionamiento de la pila puede ocurrir que la fuerza electromotriz disminuya de forma gradual. Se dice entonces que la pila se ha polarizado. Esta polarización se produce por una degradación disimétrica de ambas interfases electrodo-disolución, consecuencia de los diferentes valores de ionización y afinidad electrónica entre los electrodos. Esto hace que , por ejemplo, sea absorbido hidrógeno por parte del cátodo, recubriendo progresivamente su superficie y ofreciendo menos área útil para la realización de la reacción química. Este defecto de la pila electroquímica puede subsanarse, utilizando pilas con despolarizante o utilizando materiales impolarizables.

El Condensador

El condensador es un dispositivo que almacena carga eléctrica. En su forma más sencilla, un condensador está formado por dos placas metálicas (armaduras) separadas por una lámina no conductora o dieléctrico. Al conectar una de las placas a un generador, ésta se carga e induce una carga de signo opuesto en la otra placa.

La botella de Leyden es un condensador simple en el que las dos placas conductoras son finos revestimientos metálicos dentro y fuera del cristal de la botella, que a su vez es el dieléctrico. La magnitud que caracteriza a un condensador es su capacidad, cantidad de carga eléctrica que puede almacenar a una diferencia de potencial determinado.

Los condensadores tienen un límite para la carga eléctrica que pueden almacenar, pasado el cual se perforan. Pueden conducir corriente continua durante sólo un instante, aunque funcionan bien como conductores en circuitos de corriente alterna. Esta propiedad los convierte en dispositivos muy útiles cuando debe impedirse que la corriente continua entre a determinada parte de un circuito eléctrico. Los condensadores de capacidad fija y capacidad variable se utilizan junto con las bobinas, formando circuitos en resonancia, en las radios y otros equipos electrónicos. Además, en los tendidos eléctricos se utilizan grandes condensadores para producir resonancia eléctrica en el cable y permitir la transmisión de más potencia.

Los condensadores se fabrican en gran variedad de formas. El aire, la mica, la cerámica, el papel, el aceite y el vacío se usan como dieléctricos, según la utilidad que se pretenda dar al dispositivo.