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febrero 18, 2011

Batería. Principios fundamentales de un elemento

En entrada anterior conocimos la terminología básica de las baterías, ahora conoceremos los principios fundamentales de un elemento, como se había mencionado un elemento es un artificio que transforma energía química o lumínica en energía eléctrica.
El hecho de que una acción química pueda producir una energía eléctrica fue descubierto accidentalmente por Luigi Galvani en 1786, pero quedó para Alessandro Volta el comprender esta acción química, y en 1800 construyó el primer elemento.
La forma más simple de elemento, conocido como elemento galvánico o voltaico, y que consiste en una lámina de cobre y otra de cinc situadas en un vaso de agua a la que se ha añadido un poco de ácido sulfúrico. Observe la siguiente figura.
   
Figura 1. Elemento voltaico simple empleando lamina de cobre (Cu) y cinc (Zn) en una solución de agua y ácido sulfúrico.

Si dos electrodos de cobre se introducen en una solución débil de ácido sulfúrico, no se producirá ninguna energía eléctrica, pero si se introducen en la solución un electrodo de cobre y otro de cinc, la acción química será la causa de que haya una energía eléctrica disponible en los extremos de los electrodos que están al aire. Las características básicas de los elementos son:

  1. Los electrodos deben ser de materiales diferentes.
  2. Los electrodos deben ser conductores de la electricidad.
  3. El electrólito debe contener un ácido, álcali o sal que conduzca la corriente.
  4. El voltaje del elemento depende de los materiales que se utilicen como electrodo y electrólito, pero no pasa de aproximadamente 2 voltios.
  5. El voltaje del elemento no es afectado por el tamaño o separación de los electrodos.
  6. La capacidad de corriente de un elemento puede aumentarse, incrementando la superficie de la parte de los electrodos que tienen contacto real con el electrólito.

Acción química de un elemento simple
Tomando como ejemplo, un elemento que se forma colocando una varilla de carbón y una lámina de cinc dentro de un vaso que contiene agua a la que se ha añadido una pequeña cantidad de cloruro de amónico (sal de amonio), se producen ciertas acciones químicas.
Cuando se hecha en el agua el cloruro amónico, muchos de sus átomos se separan de su original molécula y se forman moléculas de cloro y amonio.


Figura 2. Acción química en un elemento simple.

Otra acción que tiene lugar durante este proceso es un desequilibrio entre el número de protones y de neutrones de cada átomo. Cuando un átomo esta desequilibrado, no es igual el número de protones que el de electrones y entonces se denomina ion. Si es mayor el número de protones se denomina ion positivo; si es mayor el número de electrones se denomina ion negativo. El proceso del desequilibrado de los átomos se denomina ionización del electrólito.

También puedes consultar la entrada relacionada: Introducción a la Electricidad Estática

Con respecto a:

Flujo de corriente. La capacidad del elemento se puede demostrar conectando a sus terminales una bombilla de bajo voltaje. La bombilla se enciende, indicando de esta forma que fluye una corriente. El exceso de electrones en la lámina de cinc hace que se repelan entre sí y se empujen hacia el circuito exterior en donde son extraídos por el electrodo positivo del carbón. La acción química en el elemento mantiene un flujo constante de electrones mientras haya un circuito externo.

Erosión del electrodo negativo. Mientras en el elemento prosigue esta acción química, los iones de cinc se unen a los de cloro para formar cloruro de cinc, que queda en la solución. El hecho de que algo de cinc esté pasando continuamente a la solución indica que este electrodo se está reduciendo o consumiendo y, por tanto, se trata de un elemento primario, como se observa en la segunda figura.

Flujo de electrones y flujo de corriente. La acción del elemento indica que exteriormente los electrones fluyen desde el electrodo de cinc a los largo del circuito externo hasta el electrodo de carbón e interiormente desde el electrodo de carbón a través del electrólito hasta el electrodo de cinc para completar el circuito, como se muestra en la siguiente figura:


Figura 3. Flujo de corriente a través de un elemento voltaico simple.


En la entrada referida a corriente eléctrica, se definió la corriente como un flujo de electrones. De aquí que los electrones y, por tanto, la corriente fluyan externamente desde el electrodo negativo al positivo. Por definición, cátodo es el electrodo por el que salen los electrones del elemento, y ánodo el electrodo hacia el que van los electrones dentro del elemento. Por tanto, dentro del elemento, los electrones fluyen del cátodo (electrodo positivo) al ánodo (electrodo negativo).

También puedes consultar la entrada relacionada: Introducción a la Electricidad Dinámica

Fuentes:
Fundamentos de Electricidad - Electrónica. Autores: Slurzberg y Osterheld. 3era Edición. Editorial: McGrawHill.

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