El Tamiz

Si no eres parte de la solución eres parte del precipitado

[Electricidad I] La pila eléctrica

En el anterior artículo de [Electricidad I] establecimos una manera de cuantificar, de forma empírica, lo bueno o malo que es un conductor. Como espero que recuerdes, lo hicimos empleando dos conceptos complementarios, la conductancia y la resistencia, a través de la relación entre el voltaje entre dos puntos y los movimientos de carga que se producen como consecuencia de esa diferencia de potencial, es decir, la Ley de Ohm. Hoy hablaremos acerca de una de las dos consecuencias más importantes de la Ley de Ohm y explicaremos cómo forzar un desequilibrio de cargas que mantenga la corriente eléctrica en un conductor durante mucho tiempo, en vez de ser algo pasajero como ha sido hasta el momento en el bloque, utilizando una pila eléctrica.

Solución al Desafío 5 - ¿Arde o no arde?

Para responder a la pregunta hay que recordar que, de las magnitudes mencionadas en el desafío y el artículo, muchas son variables: la intensidad, por ejemplo, o el voltaje, dependen de las condiciones concretas, de los desequilibrios de carga, etc. Sin embargo, la resistencia (o la conductancia) es algo propio del televisor: depende de cómo está construido y de sus características físicas. De modo que, en primer lugar, caractericemos el TV por su conductancia o resistencia. Ya que no sé cuál habrás utilizado, calcularé las dos.

La resistencia es el número de voltios necesarios para producir cada amperio de intensidad. En el pueblo, 120 V produjeron 3 A; esto significa que hacen falta 120/3 = 40 voltios por cada amperio. En otras palabras, la resistencia de la TV es de 40 ohmios. La conductanncia –el número de amperios que aparecen por cada voltio– es justo la inversa, es decir, 1/40 siemens. Y estos números, como he dicho antes, son característicos de la TV, iguales en el campo, la ciudad o la Luna.

En términos de conductancia, cuando el viejo Mac conecte su aparato de TV en la ciudad a 220 V, la intensidad que recorrerá el aparato será, desde luego, mayor que cuando había 120 V; ¿cuánto valdrá? Dado que cada voltio produce 1/40 amperios, en la ciudad aparecerán 220/40 amperios, es decir, 5,5 A. Pero, ya que la TV puede soportar como máximo una intensidad de 5 A, en cuanto la conecte en la ciudad, se quemará irremediablemente. ¡Deberías haber tenido más cuidado, Mac!

En términos de resistencia, hemos dicho que cada amperio de intensidad requiere 40 voltios. Dado que la máxima intensidad que puede soportar el aparato es de 5 A, ¿qué tensión haría falta para alcanzar ese máximo? Pues 40·5 = 200 voltios. Si el voltaje es mayor de 200 V, la televisión se quema. Dado que en la ciudad hay 220 V entre los terminales del enchufe, la TV arde sin misericordia –el mismo resultado de antes, claro–.

Al responder en términos de resistencia hemos contestado además a la segunda pregunta del desafío: la TV de Mac puede soportar un voltaje de 200 V. Una “presión eléctrica mayor” y se fundirá sin remedio.


Un desequilibrio de carga imposible de compensar

Como recordarás si has leído la serie de artículos hasta el momento, en todos nuestros ejemplos hemos logrado que las cargas de un cuerpo se muevan creando un desequilibrio eléctrico entre los extremos del cuerpo, es decir, creando una tensión –una diferencia de potencial– entre los dos puntos del cuerpo. Pero nuestro problema, en el que hemos hecho énfasis varias veces en los últimos artículos, es que ese desequilibrio trae consigo su propia destrucción: el movimiento de cargas lo compensa, y entonces el movimiento cesa, las cargas se paran y tenemos, otra vez, un cuerpo en el que las cargas están quietas. Como vimos en el artículo anterior, el tiempo que esto tarda en producirse depende del cuerpo concreto, pero para cualquier conductor decente (por ejemplo, un cable de cobre) es un tiempo minúsculo.

Para conseguir utilizar la electricidad para un fin útil necesitamos que ese movimiento, esa intensidad de corriente, no desaparezca en un abrir y cerrar de ojos. Para lograr eso nos hacen falta dos cosas, una más evidente que la otra. Recuerda nuestro ejemplo arquetípico del conductor con movimiento de cargas debido a una diferencia de potencial, y el resultado final tras el paso de la brevísima intensidad de corriente:

Podríamos hacer que las cargas siguieran moviéndose aumentando el desequilibrio entre los dos extremos. Por ejemplo, podríamos hacer esto:

Con lo que, evidentemente, haría falta más movimiento de cargas para compensar el desequilibrio, y tendríamos una vez más una efímera intensidad recorriendo nuestro conductor. Es decir, la primera de las dos cosas que necesitamos es algo que, pese al movimiento de las cargas internas, mantenga un desequilibrio de carga, de modo que se mantenga el movimiento de cargas dentro del conductor.

Pero supongo que ves que la “solución” de arriba no es demasiado realista: en primer lugar, ¿qué haremos cuando los electrones del conductor se apelotonen aún más hacia la izquierda, y se detengan de nuevo una vez el voltaje haya sido compensado? ¿Añadir más cargas externas? Acabaríamos con cantidades enormes de carga a los lados del conductor… y ya hemos visto, al principio del bloque, que grandes cantidades de carga “desnuda”, sin compensar, suponen fuerzas tremendas y peligrosas. Pero hay otro problema: ¡el trozo de cuerpo que hemos dibujado ahí arriba no tiene un número infinito de cargas móviles! Los electrones se moverían hacia la izquierda, sí, pero habría un límite… llegaría un momento en el que estarían tan apelotonados que no serían capaces ya de compensar el desequilibrio externo, porque no tendrían dónde moverse, ni habría más cargas internas que compensasen el voltaje. De hecho, llegaría un momento en el que los propios átomos se desgajasen, los electrones que no eran móviles se movieran, los protones se movieran también, y nuestro conductor se destruyese a sí mismo y dejase de servir a nuestros propósitos.

De ahí que, además de algún proceso que mantenga el desequilibrio de cargas, nos haga falta una segunda cosa: una manera de mantener el desequilibrio original, sin necesidad de aumentarlo más y más, y de tener siempre cargas móviles listas para recorrer el cuerpo. Pero ¿de qué manera podemos disponer de electrones móviles ilimitados sin necesidad de traer nuevos electrones? Tal vez ya estés barruntando la respuesta: reutilizando los mismos electrones del conductor.

De hecho, es posible que entiendas mejor cuál es la solución más lógica para conseguir un flujo de carga constante si lo piensas en términos de nuestros barriles y el agua. Ésta es la situación que teníamos una vez que el movimiento del agua debido a la diferencia de presión había igualado el nivel de agua en los dos barriles:

¿Cómo lograr que el agua no se detenga, sino que siga fluyendo desde el barril de la izquierda hacia el de la derecha, sin requerir una fuente externa de agua? ¡Simple! Basta con retirar agua del barril de la derecha y volver a verterla en el de la izquierda, para que todo esté de nuevo como estaba antes de que el agua empezase a moverse:

De este modo, si mantenemos un flujo continuo “forzado” de agua como el de la parte superior de la figura, vaciando el barril de la derecha y llenando el de la izquierda, el agua fluirá por la tubería constantemente para compensar ese desequilibrio de agua, pero nunca lo conseguirá, porque nosotros deshacemos lo que el agua hace a través de la tubería. En la realidad conseguiríamos eso, por ejemplo, utilizando una bomba, como sucede en los acuarios y en muchas fuentes ornamentales, en los que el flujo de agua se mantiene sin utilizar agua “extra”. Pero ¿cómo funcionaría esto en el caso de nuestro conductor y los electrones?

Lo que queremos básicamente es, una vez más, tomar los electrones que se apelotonan a la izquierda y llevárnoslos de nuevo hasta el extremo derecho, con lo que el movimiento de los electrones nunca consiga compensar el voltaje y los pobres electrones se sigan moviendo para siempre, tratando de equilibrar la situación aunque nunca puedan lograrlo:

De esta manera, una vez esos electrones “viajeros” que nos llevamos por fuera lleguen al extremo contrario, tendremos justo lo que queremos: a la izquierda, puesto que nos los hemos llevado de allí, hay un hueco, que será rellenado por los electrones inmediatamente a la derecha de él. Y a la derecha, los nuevos electrones que hemos llevado allí empezarán a moverse hacia la izquierda debido al desequilibrio de cargas (es decir, la diferencia de potencial). Como ya he repetido varias veces –lo siento, pero es importante– de este modo el movimiento de los electrones debido al voltaje nunca conseguirá compensar ese voltaje, de modo que seguirá produciéndose para siempre… siempre que nosotros sigamos forzando la situación retirando electrones de la izquierda y devolviéndolos a la derecha, claro.

De manera que nuestro problema se ha reducido a una sola cuestión: cómo conseguir llevarnos los electrones de un extremo al otro, de manera similar a como utilizamos una bomba para llevar el agua de un barril al otro. Necesitamos una especie de bomba, pero una “bomba eléctrica”. Y eso es exactamente lo que hace uno de los dispositivos más utilizados para generar corrientes eléctricas en la realidad: la pila eléctrica.

Por cierto, a lo largo de este artículo, ya que tengo que representar muchas cosas en algunos diagramas, vamos a mirar nuestro conductor más “de lejos”, haciéndolo más estilizado. Como lo que nos importa es lo que van a hacer los electrones (y no, por ejemplo, que las cargas de los átomos estáticos están un poco desplazadas), voy a representar la parte estática del conductor en verde y los electrones móviles en rojo. Ya dijimos en las entradas anteriores que no todos los electrones se mueven, pero bueno. Recuerda siempre que las dos cantidades de carga en el conductor son iguales, de modo que no tiene carga neta de uno u otro tipo. Éste es nuestro mismo conductor de esta forma “estilizada”:


La pila eléctrica

Antes de nada, mi descripción de las pilas eléctricas va a ser acorde con el nivel y las expectativas de este bloque: no voy a ponerme a hablar de química en detalle, ni de reacciones redox en profundidad ni nada parecido (a eso nos dedicaremos en algún bloque más avanzado). Mi objetivo es que comprendas la naturaleza básica de las pilas, y cómo de una manera ingeniosísima logran nuestro objetivo de llevarnos electrones de un sitio a otro “a la fuerza”, para mantener la diferencia de potencial que causaba el movimiento de cargas en nuestro conductor.

Una pila eléctrica contiene en su interior una serie de compuestos químicos. Estos compuestos químicos, al ponerse en contacto, empiezan a reaccionar entre sí produciendo compuestos nuevos. De hecho, en la pila se producen dos reacciones químicas en paralelo. Estas dos reacciones químicas, como verás, son complementarias una de la otra en el aspecto eléctrico: eléctricamente hablando, son como el positivo y el negativo de una fotografía. Y esta simetría eléctrica entre ellas es la clave del funcionamiento de la pila, de modo que espero que mi pobre explicación haga que se ilumine la bombilla (eléctrica, claro) sobre tu cabeza.

En una de las dos reacciones, el resultado de la reacción (el producto) tiene menos electrones que los compuestos iniciales (los reactivos), con lo que según se produce esta reacción, sobran electrones. Como no quiero entrar aquí a discutir la química en profundidad, ten en cuenta que mis ejemplos están muy simplificados. Si los dos reactivos son A y B, es algo así (utilizo, como anteriormente en la serie, el color rojo para la carga negativa y el verde para la positiva):

A + B → E + electrones

La otra reacción que se produce en una parte diferente de la pila, a la vez que la primera, funciona justo al contrario: en ella, cuando reaccionan los compuestos iniciales, se produce uno nuevo que, para ser estable, necesita más electrones que los iniciales. Con nuestros símbolos inventados, es una cosa como ésta:

electrones + C + D → F

¿Ves a lo que me refería con lo de “simetría eléctrica? Hay varias cosas muy importantes que debes entender aquí –y tal vez ya las hayas visto antes de que diga nada, pero merece la pena pararnos en todas ellas–, de modo que vamos por partes.

En primer lugar, ninguna de estas reacciones pueden producirse de forma aislada durante mucho tiempo: se necesitan la una a la otra. En la primera, ¿a dónde van a ir esos electrones que sobran? En cuanto empezasen a acumularse y a repelerse unos a otros y a los electrones que podrían seguir produciéndose, la reacción se detendría, y esto sucedería, como todo en electricidad, bastante rápidamente. En la segunda, ¿de dónde demonios salen los electrones que hacen falta? Una vez más, no hay por dónde coger la reacción aisladamente.

Pero, si las dos se producen a la vez, ¡todo funciona como una máquina bien engrasada! La primera reacción va consumiendo A y B y produciendo E, a la vez que electrones sueltos… que son requeridos por la segunda reacción, que los va consumiendo junto con C y D, produciendo F. Una reacción proporciona a la otra los electrones que le hacen falta, y la otra retira de la primera los electrones que le sobran.

Puede parecer que no estamos consiguiendo mucho, en lo que respecta a nuestro objetivo de mover los electrones de manera forzada de un lado a otro, sino que simplemente estamos haciendo un par de reacciones químicas y obteniendo E y F… pero mira esta reacción con los compuestos colocados en lugares concretos, en una serie de mis patéticos diagramitas. Antes de que empiecen las reacciones, tenemos algo así:

Pila 1

Según A y B van reaccionando entre sí, se van consumiendo, y se obtiene E y los electrones que “sobran”. Pongo E en verde, ya que tiene carga positiva:

Pila 2

Pero ahora entra en acción la segunda reacción, la que se produce entre C y D y que requiere electrones… ¡los electrones producidos en la primera reacción! Estos electrones se van a la parte derecha de la pila:

Pila 3

Y ahora se produce la segunda reacción, en la que se va produciendo F según reaccionan C, D y los electrones “robados” a la primera reacción:

Pila 4

Lo que se ha producido aquí, si has entendido mi explicación y los diagramas, es que se ha producido un movimiento de cargas debido a la complementariedad entre las dos reacciones químicas. Nuestra pila eléctrica, que es neutra –tiene la misma cantidad de carga positiva que negativa– tenía las cargas distribuidas uniformemente por toda ella, pero ahora ya no: se ha producido un desplazamiento de los electrones hacia la parte derecha de la pila. Ahora la parte izquierda tiene una carga ligeramente positiva, y la derecha ligeramente negativa.

Este movimiento de cargas ha sido causado por las reacciones químicas, es decir, por las distintas características químicas de los compuestos involucrados. Podríamos decir que, al unir esas sustancias, aparece una “presión química” por la diferente necesidad de electrones, que ha empujado a los electrones hacia la derecha sin necesidad de que existiera un voltaje inicial. Sin embargo, si observas el último diagrama de arriba, lo que tenemos ahora es un desequilibrio de cargas, es decir, un voltaje o tensión entre ambos extremos de la pila.

La tendencia de los electrones será entonces, como siempre, moverse para compensar la diferente “presión eléctrica” y equilibrar las cargas; es decir, los electrones sufren esa diferencia de presión que los lleva hacia la izquierda. Pero, al mismo tiempo, la “presión química” debida a la necesidad de electrones en la reacción de la derecha los lleva hacia la derecha. ¿Cuál de las dos gana entonces?

Al principio (en el primero de todos los diagramas) no existe ninguna tensión entre los extremos de la pila, pero sí existe la “presión química”: de hecho, la diferente naturaleza química de los compuestos involucrados y su electronegatividad –su “hambre de electrones”– son siempre los mismos. De modo que la “tensión química” hacia la derecha no tiene una tensión eléctrica que se oponga a ella, y los electrones empiezan a abandonar la parte izquierda de la pila y dirigirse hacia la derecha, para alimentar la segunda reacción.

Pero, según se va produciendo este proceso y se van acumulando electrones en la parte derecha –y hay un defecto de electrones en la parte izquierda–, aparece un voltaje cada vez más grande debido a este desequilibrio de carga, y a los electrones va costándoles más y más moverse hacia la derecha, porque la fuerza de Coulomb los lleva hacia la izquierda con cada vez más intensidad. La “presión química”, sin embargo, se mantiene siempre constante.

Llegará un momento entonces en el que haya suficientes electrones en la parte derecha como para que el voltaje sea lo bastante grande como para que los electrones dejen de moverse: cuando la presión eléctrica haya igualado a la química. Esto sucede, en cualquier caso, bastante rápido, y a partir del momento en el que llegamos a esa situación (la del último diagrama de arriba) deja de fluir la carga y todo se detiene. En ese momento, entre los dos extremos de la pila hay un voltaje fijo, el valor en el que ambas presiones –química y eléctrica– se han equilibrado: a lo que nos referimos típicamente al hablar del “voltaje de una pila”. Las típicas pilas alcalinas AA, por ejemplo, tienen una tensión entre sus extremos de 1,5 voltios. Hemos alcanzado entonces una especie de statu quo que hará falta romper de algún modo para que sigan sucediendo cosas interesantes.

Antes de seguir, si observas la situación cuando se ha alcanzado el statu quo puedes aprender ya un par de términos muy empleados al hablar de pilas:

Pila 4

Ambos extremos de la pila están cargados eléctricamente: son los polos, bornes o electrodos. El lado derecho de la pila, cargado negativamente (con exceso de electrones) se denomina ánodo, y el positivo de la izquierda, cátodo. Normalmente, en una pila suelen marcarse, el cátodo con un + y el ánodo con un -. Pero el caso es que, una vez se ha alcanzado esta situación, todo se para, aunque haya un desequilibrio entre los dos polos.

Puede parecer que no tenemos nada útil, ya que los electrones no fluyen durante mucho tiempo por la pila hasta equilibrar la diferente “hambre de electrones” química, pero hemos conseguido mover electrones de un lado a otro de manera “forzada”, aunque no sea una distancia muy grande ni en cantidades considerables. Tenemos justo lo que nos hacía falta en nuestro cuerpo de arriba para mantener el flujo de electrones de manera continua.

La clave de la cuestión para este último paso de razonamiento es la siguiente: en nuestra pila, los electrones acaban por pararse porque la presión química los empuja hacia la derecha, y la eléctrica a la izquierda. Sin embargo, podemos lograr que ambas tengan el mismo sentido si unimos esta pila con el cuerpo de arriba, de modo que los extremos del cuerpo toquen los extremos de nuestra pila. Para ello, hagamos que nuestro conductor sea más largo, y doblémoslo para poder unir sus extremos con los dos de la pila:

Circuito eléctrico 1

¿Qué sucederá ahora? Fíjate en los electrones que hay en los extremos de nuestro conductor cerca del ánodo y del cátodo, y recuerda la Ley de Coulomb o el voltaje, pues cualquiera de los dos conceptos te llevarán al mismo sitio. Y, después de pensar un par de minutos, sigue leyendo.

Los electrones del conductor van a empezar a moverse. Hay dos puntos clave en los que fijarse en un principio:

Circuito eléctrico 2

En términos de fuerza de Coulomb, los electrones de 1, cerca del cátodo positivo, sienten una fuerza neta hacia la derecha, pues a la izquierda hay tantos electrones como protones, pero a la derecha (ya que algunos electrones se fueron, por la reaccion química, hacia el ánodo de la pila) hay carga positiva que los atrae. Como consecuencia, esos electrones van a moverse hacia la derecha, entrando en la pila.

En términos de diferencia de potencial, los electrones de 1 sienten una tensión entre lo que hay a su izquierda y a su derecha: la presión eléctrica los empuja hacia la derecha, hacia el potencial más grande (el de los protones de dentro de la pila sin electrones suficientes que los compensen). Como consecuencia, estos electrones –como antes, claro, pues esto es simplemente otra forma de expresar lo que pasa– se moverán hacia la derecha, entrando en la pila.

Pero ¿qué sienten los electrones de 2, cerca del ánodo? A su derecha todo es normal, hay tantos electrones como protones en el cable, pero a su izquierda hay demasiados electrones: notarán una fuerza neta hacia la derecha por la repulsión de éstos. En términos de potencial eléctrico, se moverán hacia potenciales eléctricos mayores, es decir, alejándose de los electrones de carga negativa de la izquierda. De cualquiera de las dos maneras, esos electrones se alejarán de la pila. Con lo que ahora tendremos esto:

Circuito eléctrico 3

Ahora, el exceso de electrones de F siente una fuerza hacia la derecha por el hueco dejado por los electrones que abandonaron 2, con lo que esos electrones salen de la pila… pero entonces disminuye la presión eléctrica que impedía a la reacción A + B seguir liberando electrones. De modo que la reacción A + B, que se había detenido cuando alcanzamos el statu quo, empieza a producirse otra vez, A y B se siguen consumiendo y los electrones liberados se pasan al lado derecho de la pila, donde azuzan de nuevo la reacción C + D.

Pero al lado izquierdo de la pila, claro, ha quedado un hueco, que es rellenado por los electrones inmediatamente a la izquierda del hueco, pero ésos dejan un hueco, etc. ¡Y al lado derecho pasa lo mismo! Hay un montón de electrones apelotonados, que no van a volver hacia la izquierda porque se trata de un polo cargado negativamente. Sin embargo, en el otro sentido hay, más cerca o más lejos, el hueco dejado por los electrones que entran en la pila por el cátodo, con lo que estos electrones que salieron por el polo negativo se mueven hacia él por el cable.

El resultado final, si mi explicación no te ha dado dolor de cabeza, es que todos los electrones del conductor empiezan a moverse por él en el sentido contrario a las agujas del reloj en nuestro diagrama, entrando en la pila por el cátodo y saliendo por el ánodo. Desde luego, en la realidad este proceso no se produce a “escalones” como lo he explicado yo, sino que es algo fluido y continuo.

Hemos conseguido exactamente lo que nos proponíamos al principio del artículo. Ahora tenemos un flujo de electrones continuado a lo largo de nuestro cable, y el desequilibrio de cargas permanece siempre constante: el voltaje entre los extremos de la pila es siempre exactamente el equivalente a la “presión química” creada por las reacciones. Y los sufridos electrones, por mucho que se muevan para tratar de compensar esa tensión, nunca lo conseguirán, porque cada paso que dan es deshecho a su vez por las reacciones químicas, que siguen produciéndose continuamente y manteniendo el desequilibrio de cargas entre ambos polos de la pila.

Y aquí está el punto débil de nuestro circuito, ya que nada se consigue en la Naturaleza sin esfuerzo: puede parecer que la carga va a fluir por nuestro conductor para siempre y que, aunque los electrones se muevan, nada cambia en el dibujo de arriba. Sin embargo, aunque no tengo tiempo ni energía para hacer una animación para que puedas verlo, creo que si eres sagaz ya te habrás dado cuenta de que sí, hay algo que cambia continuamente según se mueven nuestros electrones por el cable: las cantidades de las sustancias A, B, etc.

Claro, el desequilibrio de cargas se mantiene porque las reacciones que se están produciendo lo mantienen a pesar del movimiento de los electrones. Antes de que conectaramos los polos de la pila con nuestro conductor, las reacciones se habían detenido, pero cuando los conectamos, vuelven a producirse constantemente. Pero, si las reacciones se están produciendo constantemente, cada vez quedará menos cantidad de A, B, C y D. Llegará un momento, de hecho, en el que alguna de esas sustancias se agote por completo… y entonces las reacciones se paran, el desequilibrio forzado desaparece, el movimiento cesa. Nuestra pila se ha gastado.

Como ves, una pila no se gasta porque “se le acabe la carga”. La pila se agota porque contiene reactivos químicos que fuerzan la situación mientras van reaccionando entre sí, pero llega un momento en el que esos reactivos ya se han consumido, y entonces la pila deja de funcionar, los electrones del cable sí son capaces de moverse hasta equilibrar el voltaje y entonces todo se acaba parando. Pero, mientras las sustancias que reaccionan están ahí, estamos manteniendo la intensidad de corriente en el circuito como nos habíamos propuesto.

De hecho, el circuito que acabamos de construir agotaría la pila en un tiempo muy corto. La razón es que, como vimos en el artículo anterior, ante una diferencia de potencial determinada, un conductor muy bueno experimentará una intensidad de corriente muy grande. Y el cable que hemos conectado a nuestra pila, si es un cable normal y corriente de cobre, es un conductor excelente. Como consecuencia, la intensidad de corriente en el cable será bastante grande incluso con un voltaje relativamente pequeño entre los electrodos de la pila, con lo que todo el proceso tardará poco tiempo, los reactivos A, B, C y D se gastarán muy rápido y todo el montaje que hemos hecho no será muy duradero.

Y esta descarga tan rápida de la pila tiene otras consecuencias interesantes y muy útiles, aunque a veces peligrosas, que también tienen que ver con el concepto de resistencia que mencionamos en el artículo anterior y con la Ley de Ohm, como comprobarás si realizas el experimento de hoy, y como estudiaremos en detalle en el próximo artículo de la serie en un par de semanas, en el que hablaremos sobre el efecto Joule.


Ideas clave

Los conceptos básicos que debes tener claros para afrontar el resto del bloque con garantías son los siguientes:

  • Para conseguir un movimiento constante de electrones en un conductor hace falta evitar que el movimiento de los electrones compense el voltaje que lo causó.

  • Esto puede conseguirse de varias maneras, pero una de ellas es producir un par de reacciones químicas simétricas eléctricamente, una que produzca electrones de sobra y otra que los requiera, es decir, utilizando una pila eléctrica que mantenga un voltaje constante entre sus extremos debido a esas reacciones químicas.

  • Los extremos de una pila se denominan electrodos, bornes o polos: el positivo es el cátodo, el negativo es el ánodo.

  • Al conectar entre sí los dos polos de una pila con un cable, los electrones del cable se mueven de forma neta por él, entrando en la pila por el cátodo y saliendo por el ánodo.

  • Según los electrones se mueven por el circuito, los reactivos de la pila se van gastando, hasta que llega un momento en el que la pila se agota.


Hasta la próxima…

Experimento 3 - Nuestro primer circuito ¡está que arde!

Material necesario: Una pila de petaca de 4,5 V, un trozo de cable.

Instrucciones: Pela el plástico de los extremos del cable, y conecta un extremo a cada polo de la pila. Acabas de construir el circuito que hemos descrito en el artículo. Eso sí, no puedes ver moverse nada ni consumirse nada, claro… pero puedes notar algo: según pasa el tiempo, tanto el cable como la pila se calientan, puede que mucho. ¡Ten cuidado, si usas un cable fino, no vayas a quemarte! Estás experimentando en tus propias carnes el efecto Joule del que hablaremos en la próxima entrada.

Precaución: Como he dicho, puede que la cosa se ponga bastante caliente. Ten cuidado, y además, no dejes el cable conectado mucho tiempo o se te gastará la pila bastante rápido. ¡Ni qué decir tiene que no intentes esto con ningún voltaje más grande, ni con algo que no sea una pequeña pila! Jugar con la electricidad sin saber lo que se hace es una manera segura de poner en acción la selección natural y ser uno de los eliminados.

Puedes encontrar este artículo y otros como él en el número de diciembre de 2009 de nuestra revista electrónica, disponible a través de Lulu:

Electricidad

39 comentarios

De: furre
2009-12-30 14:41:22

Buenos días Pedro, muy claro, como siempre: felicitaciones.
Una duda: ¿cómo se mantienen separados A y B por un lado, de Cy D, por el otro, para que efectivamente quede un lado cargado positivamente y el otro negativamente?
Muchas gracias!

Furre.


De: Dhemios
2009-12-30 17:26:18

Otro gran articulo, muchas gracias Pedro.

Para furre, no soy un experto, y invito a cualquiera a corregir lo que voy a decir, pero tengo entendido que en el interior de la pila no hay ninguna separación. La pila contiene en su interior una disolución con todos los elementos necesarios (No hace falta separar A y B de C y D ya que ni A ni B reaccionarían nunca con C ni D). Generalmente, la disolución es de carbono y dióxido de manganeso.

En cuanto a la segunda parte de la pregunta, sobre la diferencia de carga, ahí si que no conozco la respuesta. Como dijo Pedro, la pila suele marcarse por ambos extremos, indicando cual es el positivo y cual es el negativo, pero como se determina cual es cual, cuando en el interior no hay ningún tipo de separación, escapa a mis conocimientos.


De: Juan Carlos Giler
2009-12-30 18:13:44

Excelente artículo, Pedro !!!!!
Ojalá nos puedas explicar mas o menos, como funcionan las pilas recargables.
Gracias.


De: kemero
2009-12-30 19:00:51

Brillante!!! no tenia ni la menor idea de como es que se lograba el desequilibrio, siempre pense que eran dos compuestos separados dentro de la pila uno con muchos electrones y el otro con pocos(aunque no me cerraba como era que siempre había 1,5V de diferencia).

Me sumo a la duda de Furre si la respuesta no es la que dio Dhemios.

Consejo: se que lo tuyo es la física y no el diseño, pero a la hora de poner un texto sobre un fondo, es bueno que exista un alto contraste. O dicho de una forma para que lo entiendas mejor: que la relación, expresada en porcentaje, de la radiación que las superficies reflejan sobre la radiación que incide sobre la misma sea diferente... o sea, negro sobre marrón... :D (Broma!!!)

Nuevamente, excelente el artículo!


De: Yo mismo
2009-12-30 19:24:02

Las partes positiva y negativa de la pila si estan separadas. El separador ademas de no reaccionar con las partes tiene que permitir el paso de electrones.


De: Rober
2009-12-30 19:49:39

Gravatar: creo que con las explicaciones de Pedro se puede inferir que lo que dices no es posible: ha de haber una separación de algún tipo porque de otro modo (si todo fuera simétrico) simplemente ... ¡¡ no habría un "sitio" donde poner los bornes !!

Si se mezclaran completamente los reactivos A, B, C y D no habría una falta de electrones (E) ni una acumulación de electrones (F) localizadas, por lo que la presión electrónica (más bien la falta de ella) no evitaría que la presión química agotara los compuestos.

La primera pila (la de Volta) tenía varias "rodajas" de compuestos apiladas (de ahí el nombre, supongo) alternando los compuestos. Las pilas actuales también tienen separados los compuestos, aunque no sea tan evidente. En las baterías de coches también hay distintos compuestos en placas (de plomo y de óxido de plomo) y en líquido (ácido sulfúrico) aparte de distribuirse en varias celdas estancas que funcionan idenpendientes y que se "apilan" conectándolas en serie.

No se puede extraer asimetría de la simetría.


De: Rober
2009-12-30 20:00:14

¡ ups ! la respuesta era para "Dhemios". Resulta que "Gravatar" es la palabra que sale cuando no sale el dibujito...

Se me olvidaba felicitar a Pedro por el artículo. Últimamente no lo hago porque está poniéndose el listón muy alto a sí mismo ;-) pero me parece que la explicación de la pila merece un elogio particular.

Me ha parecido genial la forma de esquematizar los compuestos y sus resultados y cómo ha conseguido "conectarlos" con los sencillos esquemas de los conductores que traía de los artículos anteriores.

Verdaderamente está consiguiendo el objetivo de explicar de forma sencilla (pero exacta en esencia) algo que es tan complejo.

Pedro ... ¿llegarás hasta los motores trifásicos? porque nunca llegué a entenderlos del todo ;-)


De: Macluskey
2009-12-31 11:49:22

Vaya artículo!! Por fin entiendo cómo funcionan esas malditas que te dejan tirado cuando más las necesitas. Sólo te ha quedado explicar cómo se recargan las pilas recargables: ¿Al aplicar los electrones de la red a contracorriente se convierte nuevamente E en A y B, y F en C y D? Porque si no es así, no entiendo nada. Bueno, generalmente no entiendo nada de electricidad, así que...

Por cierto, dos erratillas:

"La primera reacción va consumiendo A y B y produciendo C...". ¿No debería ser E, en vez de C?

"porqe la fuerza de Coulomb..." Algún electrón desaprensivo se ha comido la u...

Felicidades, Pedro.


De: Pedro
2009-12-31 12:01:40

Corregidas las erratas, ¡gracias, Mac! Lo de las pilas recargables, mejor para un bloque superior, ¿no? (pero básicamente es lo que dices) :)


De: pedrosdt
2009-12-31 12:06:10

Felicidades por el artículo, genial como siempre.

Sólo una duda: ¿No es el ánodo el borne positivo?


De: Pedro
2009-12-31 12:54:58

pedro, en una célula electrolítica sí, pero en una pila no: el ánodo es el negativo.


De: Toms
2009-12-31 19:33:11

Como siempre genial, enhorabuena.

Feliz año nuevo a todos, que paséis una noche estupenda.

Un saludo.


De: Silicon
2010-01-05 12:38:26

El articulo es una simplificacion de como es una pila en realidad, tal y como es la politica de esta web.

En las pilas comerciales B y D suelen ser el mismo compuesto.

Un pila normalita, que cualquiera puede hacer en casa:
Reactivo A: Un disco de cobre (un trozo de cable electrico aplastado en forma de disco. Da igual que tenga agujeros). Tambien podemos usar una moneda de 5 centimos de euro.

Reactivo B y D: Cualquiera de estos; jugo de limon/Vinagre/Sosa caustica (desatascador barato, que no debe tocarse sin guantes)

Reactivo C: Un trozo de zinc (el metal exterior de una pila gastada). Si no queremos desarmar una pila vale cualquier chapa galvanizada o incluso un trozo de hierro.

Separador: Un trozo de cartulina.

Construcción: Se pone el trozo de cobre, se pone encima el cartón empapado en vinagre y se pone encima el trozo de zinc.

Con este invento los dos metales esta siendo atacados por el acido que usamos como electrolito. Uno de los metales se oxida y el otro se reduce. Por tanto tenemos una reaccion en donde se "liberan" electrones y otra donde se "consumen".

Tras hacer la pila os dareis cuenta de que no da mucha potencia ni mucho voltaje (apenas enciende un led). El problema es por los materiales escogidos. Si alguien quiere experimentar debe tener en cuenta que el voltaje depende de la diferencia de electronegatividad de los dos metales. Entre el cobre y la chapa la diferencia no es muy grande. Entre cobre y zinc ya tendremos los 1,5 voltios de una pila normal. ¡¡¡Con litio y hidrogeno ya seria la leche !!!!

La intensidad (cuantos electrones da) de la pila depende de la superficie de los metales (cuanto mas grandes los discos, mas intensidad) y de lo corrosivo que sea el electrolito. El vinagre o el zumo de limon no son muy fuertes. Si usasemos acido sulfurico funcionaria mucho mejor.

Otra problema que podreis observar es que en pocos minutos la pila parece gastarse, a pesar de no haber consumido todos los discos. Eso es por que los resultados de la reaccion (E y F) se interponen entre las sustancias a reaccionar. Cuando se pierde el contacto la reaccion se para.

Solo hay que esperar un poco a que E y F se dispersen por el carton y vuelve a funcionar. Ese es el motivo por el que golpear una pila gastada la recupera parcialmente.


De: Zetterstrom
2010-01-05 21:57:21

Excelente explicacion, esto cada vez me engancha mas, aunque si pudieras cambiar status quo por statu quo, lo habrias bordado.

Salu2


De: Zetterstrom
2010-01-05 23:29:48

Y gracias a Silicon tambien por su explicacion.


De: emilio
2010-01-06 19:37:24

Excelente como siempre aunque esta vez si me han quedado mis dudas:
Las fuerzas de Coulomb ejercidas por los terminales cargados a los electrones cuando "fluyen" a través de la pila deberían de tender a frenarlos. ¿Por qué no lo hacen? y ¿De que depende el voltaje de una pila?¿Reactivos? ¿ Geometría? ¿Ambos?


De: Pedro
2010-01-07 07:44:38

Zetterstrom, acabo de corregirlos todos, ¡gracias! :)

emilio, tal vez no muy bien, pero eso es parte de la explicación del artículo: fíjate en la parte en la que los electrodos no están conectados por un cable, y cómo se alcanza una situación estática con desequilibrio de carga. Si con esto no te basta, piensa en términos de la analogía hidráulica:

Es como si tienes una bomba (la pila) que empuja el agua hacia un sitio (derecha) y la coge de otro (izquierda). Si la bomba está sola, sin conectar a nada, puede haber más agua a la derecha que a la izquierda (más electrones a derecha que a izquierda), pero se alcanzará un equilibrio en el que la bomba no puede empujar más, y simplemente mantiene el agua a su derecha. Si se conectan los extremos de la bomba a una tubería que los une, entonces el agua se moverá de uno de los "electrodos" (por donde sale el agua) hacia el otro (por donde entra) continuamente. El desequilibrio de carga en este caso es la diferencia de presión del agua.

Respecto al voltaje, para cada par de electrodos depende de los reactivos, su concentración y la naturaleza de los metales de los electrodos, sí, aunque (no es de este bloque) pueden ponerse varias "pilas" en serie dentro de una más grande de modo que, aunque tú no las veas, sus voltajes se sumen, lo que podríamos considerar geometría, supongo :)


De: jreguart
2010-01-15 09:47:46

Oye Pedro, creo que hay una errata bajo el esquema primero en el que te llevas electrones, por fuera del conductor, de la izquierda a la derecha. Dices:
"Y a la izquierda, los nuevos electrones que hemos llevado allí empezarán a moverse hacia la derecha debido al desequilibrio de cargas" y creo que debería decir
"Y a la DERECHA, los nuevos electrones que hemos llevado allí empezarán a moverse hacia la IZQUIERDA debido al desequilibrio de cargas"


De: lambda
2010-01-19 12:23:09

Gracias Pedro, nunca había entendido bien este tema y la verdad es que lo haces muy entretenido e interesante. Mis preguntas:
La primera, y creo que alguien ya la ha preguntado, es cómo funcionan las pilas recargables.
La segunda es por qué se sulfatan las pilas. ¿Sólo se sulfatan cuando están conectadas a un aparato?
Y la última es por qué se gastan las pilas cuando no se están usando. Esta supongo que tiene que ver con que el aire aunque no es un aislante perfecto.

Un saludo.


De: Pedro
2010-01-19 17:09:29

lambda, hay cosas que seguro te las contestará mejor alguien con conocimientos más técnicos que los míos (lo mío es la teoría, de pilas y su vida privada se lo justo), pero te puedo contestar mal y pronto a una; las recargables pueden sufrir la reacción en uno u otro sentido (convirtiendo unas cosas en otras o las otras en las unas). La reacción inversa se produce cuando se hace pasar por la pila corriente eléctrica "al revés", con lo que la pila se recarga, como sucede en las baterías de los coches.


De: Patriot
2010-02-03 19:11:28

voy a decir algo a los tamizeros:
recibo el articulo por coreo y lo leo... pero siempre termino viniendo hasta aqui, por que los articulos del profe soy muy buenos, pero la lectura es realmente amena y se enriquece, cuando se discute en los comentarios.


De: condemor
2010-11-25 04:27:15

Estoy liado con esto. Si los electrones tienen una carga negativa, porque el catodo, positivo, es justo la parte de la pila de A+B y no la otra? ¿es una forma de denominarlo contraria a la habitual?


De: Pedro
2010-11-25 08:28:26

condemor, no entiendo tu duda... ¿qué problema hay con que el cátodo sea la parte de A+B?


De: Rodrigo de Chile
2011-03-13 17:31:56

Interesante articulo, felicitaciones.
Solo un comentario.Donde dice: "a la izquierda, puesto que nos los hemos llevado de allí, hay un hueco, que será rellenado por los electrones inmediatamente a la derecha de él. Y a la izquierda, los nuevos electrones que hemos llevado allí empezarán a moverse hacia la derecha debido al desequilibrio de cargas (es decir, la diferencia de potencial)"
Imagino que deberia decir " Y a la DERECHA, los nuevos electrones que hemos llevado allí empezarán a moverse hacia la IZQUIERDA debido al desequilibrio de cargas (es decir, la diferencia de potencial)"
Saludos


De: Juan Carlos Giler
2011-03-19 21:49:00

Esta también está en el libro: "conductanncia".

:)


De: Pedro
2011-03-19 21:55:06

Juan Carlos, me temo que te estás apuntando para la lista de correctores del siguiente ;P


De: Juan Carlos Giler
2011-03-19 22:13:11

:)


De: J
2011-06-09 18:32:59

Una pregunta: es obvio que si conecto el positivo de una pila con el negativo de otra, no circula corriente por el cable. Tengo que cerrar el circuito.

Es obvio que tiene que ver con el hecho de que la diferencia de potencial solo tiene sentido como medida relativa entre dos puntos. Es decir, no hay potencial 0V y potencial 3V, sino que entre un punto y otro hay 3V.

Pero por otro lado, si el rojo tiene más protones de la cuenta y el verde tiene más electrones de la cuenta, hay un desequilibrio de cargas entre ellos... Es como cuando teníamos dos cargas aisladas en el vacío hace unos pocos artículos. ¿Por qué no circula la corriente (un poquito, al menos, hasta que se reequilibra) en el primer dibujo? No puede ser solo porque la carga neta de la pila es 0, ¿no? ¿O sí?

Algo no acabo de entender...


De: J
2011-06-09 18:33:31

Ejem... el dibujo está en http://eltamiz.com/elcedazo/wp-content/uploads/2011/06/j_pilas.png


De: Axel
2012-01-05 22:40:04

La verdad es que no tengo ganas de probar lo de la pila, seguro que me las arreglo para autoseleccionarme. Necesito una victima... xD


De: Persi
2012-01-13 23:41:22

Enhorabuena, una artículo muy explicativo. Una cosilla; hablando del desequilibrio de carga, tras el dibujo de los barriles de agua y de las partículas sufriendo el desequilibrio, escribiste:

"Y a la izquierda, los nuevos electrones que hemos llevado allí empezarán a moverse hacia la derecha debido al desequilibrio de cargas (es decir, la diferencia de potencial)."

Supongo que quisiste decir que se movían hacia la izquierda, pero el dibujo es tan intuitivo que se pasa por alto.


De: Hawkman
2012-02-22 11:46:47

De esta manera, una vez esos electrones “viajeros” que nos llevamos por fuera lleguen al extremo contrario, tendremos justo lo que queremos: a la izquierda, puesto que nos los hemos llevado de allí, hay un hueco, que será rellenado por los electrones inmediatamente a la derecha de él. Y a la izquierda, los nuevos electrones que hemos llevado allí empezarán a moverse hacia la derecha debido al desequilibrio de cargas (es decir, la diferencia de potencial).

¿No están intercambiadas las palabras en negrita?


De: Hawkman
2012-02-22 12:22:44

Vale acabo de leer los comentarios y esta observación ya se ha hecho... comentarios 18, 24 y 31...


De: Pedro
2012-02-22 18:42:33

Hawkman, corregido, gracias :)


De: internauta
2012-10-07 22:26:33

hola muchas gracias por tu explicación, estaba leyendo un libro de electricidad pero todo esta escrito de una manera muy "formal" eso hace que sea mas dificil de entender las cosas, asi que busque en internet a ver si encontraba una explicación mas sencilla y wow! encontre este sitio tan genial, y no solo encontre una explicacion mas facil, encontre una mejor explicacion, ya que en el libro se explica bien diferente y algunos fenomenos son dificiles de entender asi

muchas gracias!!!!!! :D


De: Aleix
2013-06-10 16:14:33

Hola,

estoy intentando entender el funcionamiento de la pila pero, a pesar de que mi cerebro se esfuerza, sigo atrpado en uno de los pasos finals de su funcionamiento:


  • Los electrones del punto 1 entran en la pila. ¿Se mezclan con los compuestos A y B?¿ Son suficientes como para compensar la diferencia de potencial del status quo de la pila? ¿Qué pasa con esos electrones?


  • El texto dice que son los electrones sobrantes de F los que se sienten desplazados hacia la derecha, saliendo de lapila.¿ El compuesto F puede dejar escapar electrones? ¿O son los electrones que entraron en la pila los que se desplazan?


Perdonad mi ignorancia y mi falta de claridad, pero aunque he leído el texto 10 veces n o consigo dar con la respuesta.

Gracias a todos por la ayuda.

Un saludo.


De: supernene
2013-08-19 12:46:41

alexis, supon que fuera un solo electron el que entra por el punto 1 de la pila, supon que además sale 1 electron por el punto 2, esto crea un desequilibrio de dos electrones, para restaurar el equilibrio deberán de pasar 2 electrones de la parte derecha a la izquierda, uno será el que entró por el punto 1 y el otro se obtendrá de la reacción entre A+B.........de los dos electrones que entran en el lado derecho, uno ocupa el sitio que dejó el electrón que salio por el punto 2 y el otro produce la reacción C+D

......esto significa que en el lado izquierdo cada vez hay menos electrones (entra uno y salen dos), mientras que en el lado derecho cada vez hay mas electrones (entran dos y sale uno)..........para compensar esto deben de pasar iones de la derecha a la izquierda (aunque esto no lo dice Pedro en su articulo).


De: supernene
2013-08-19 17:39:14

veo que me he equivocado, con solo pasar un electrón se restablecería el equilibrio, pero entonces no se producirían las reacciones A+B ni C+D, además según la explicación de Pedro el lado en donde se produce la reacción en donde se liberan electrones es el electrodo positivo, pero en las explicaciones que veo por internet lo indican al revés....espero que Pedro lea esto y nos ayude...


De: Venger
2014-03-07 15:56

Una pregunta interesante:

¿Por qué los polos positivos de una pila no se repelen y los polos negativos no se atraen? ¿Acaso no son cargas eléctricas?

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