Pilas, baterías y acumuladores , leyes Fundamentales cc-ca

Producción de Enérgía eléctrica Casi toda la electricidad que utilizamos la obtenemos a partir de generadores químicos, como son las pilas y baterías, y generadores electromagnéticos basados en los fenómenos de inducción electromagnética. Pilas y baterías Las pilas y baterías contienen en su interior sustancias químicas que, al reaccionar, se alteran y producen electricidad. Estas sustancias terminan por consumirse, y entonces el poder de las pilas se agota. Las baterías consisten en una asociación de pilas, pero, en algunos casos (baterías de un automóvil, por ejemplo), los reactivos se pueden regenerar mediante el paso de una corriente eléctrica en sentido contrario a la que produce la pila. Partes de una pila La pila de Volta Experimento de Alessandro Volta delante de Napoleón Bonaparte Hacia 1800, el italiano Alessandro Volta (1745-1827) elaboró una pila, precursora de las pilas actuales. Su aparato, elaborado con discos apilados, fue el primero que almacenó la carga eléctrica de una forma fácilmente aprovechable. ¿Como funciona una Bateria de Plomo Acido? El Acumulador de plomo está constituido por dos tipos de electrodos de plomo que, cuando el aparato está descargado, se encuentra en forma de sulfato de plomo (PbSO4 II) incrustado en una matriz deplomo metálico (Pb); el electrólito es una disolución de ácido sulfúrico. Esta dilución en agua es tal que su densidad es de 1.280 +/– 0.010 g/ml con carga plena, y bajará a 1.100 g/ml cuando la batería esté descargada. El principio sobre el que se basa el acumulador de plomo puede ilustrarse con una sencilla experiencia. Dos placas de plomo se sumergen en un vaso que contiene ácido sulfúrico diluido. Las placas se conectan en serie con una lámpara incandescente y se alimenta el conjunto con una tensión continua. Cuando la corriente circula a través del elemento, se observa desprendimiento de burbujas de cada placa, pero en una de ellas el número de burbujas es muy superior al formado en la otra. Al cabo de cierto tiempo se observa que una de las placas ha cambiado su color hacia un tono chocolate, mientras la otra permanece inalterada en apariencia. Un examen cuidadoso muestra, sin embargo, que el plomo metálico de la superficie de la última placa, empezó a trasformarse en plomo esponjoso. Cuando la corriente circula tal como se indica en la figura anterior, el voltímetro conectado a la pila indica aproximadamente 2,5 Voltios. Si se interrumpe la corriente, abriendo el interruptor, la lectura del voltímetro baja hasta unos 2,1 V, y el elemento es capaz de suministrar una pequeña corriente, aunque la cantidad de energía que es capaz de liberar es muy reducida. Cuando el elemento se descarga, ala temperatura entre placas decrece lentamente hasta unos 1,75 V, después de los cual decrece mas rápidamente hasta llegar a anularse, quedando el elemento aparentemente agotado. El color negro-castaño de la placa correspondiente es ahora más brillante. Después de un corto reposo, la pila se recobra ligeramente y es capaz de suministrar corriente durante breve tiempo. La placa que adopta el color pardusco es la positiva o cátodo, mientras que la parcialmente convertida en plomo esponjoso es la placa negativa o ánodo. Las burbujas que se forman es hidrógeno libre. Cuando pasa corriente a través del elemento, el plomo metálico de la placa positiva se convierte en peróxido de plomo, mientras que en la placa negativa, aun cuando el plomo no varíe químicamente, se transforma en plomo esponjoso o poroso. Cuando se descarga el elemento, el peróxido de plomo de la placa positiva pasa a sulfato, con lo que ambas placas llegan a hacerse electro-químicamente iguales. Cuando las placa positiva se convierte en peróxido y la negativa en plomo esponjoso por al acción de una corriente eléctrica, las dos placas son electro-químicamente distintas y, en tal caso, existe una f.e.m. Esta f.e.m. es de unos 2,1 voltios; el exceso de 0,4 voltios observado en la carga del elemento se emplea en vencer la resistencia interna y los efectos de polarización. Las reacciones químicas que tienen lugar en un acumulador son las siguientes: De izquierda a derecha se muestran las reacciones que tienen lugar en el acumulador durante la carga. Cuando se lee de derecha a izquierda, muestra las reacciones que tienen lugar en la descarga ... Fig 6.a – Acumulador Cargado Fig 6.b – Acumulador en Descarga Durante la descarga del acumulador la corriente que se produce, provoca un cambio de condición a través de la reacción que hace que el bióxido de plomo, (PbO2), de la placa positiva al combinarse con el ácido sulfúrico, (H2SO4), forma sulfato de plomo, (PbSO4), el oxigeno, (O), liberado del bióxido de plomo, (PbO2), Al combinarse con el hidrógeno, (H2), liberado del ácido sulfúrico (H2SO4), formando agua, (H2O). El plomo, (Pb), de la placa negativa se combina con el ácido sulfúrico, (H2SO4), formandosulfato de plomo, (PbSO4). Consecuentemente la densidad del electrólito disminuye como disminuye la tensión, hasta agotar la reserva energética del acumulador. Fig 6.c – Acumulador Descargado Fig 6.d – Acumulador en Carga Cuando el acumulador se carga, la materia activa de la placa positiva esta constituida de bióxido de plomo (PbO2). La materia activa de la placa negativa esta constituida de plomo metálico en estado esponjoso, (Pb). El electrólito es una solución de ácido sulfúrico, (H2SO4) y agua (H2O). Durante la carga la corriente que el acumulador recibe del cargador provoca la reacción inversa a la de descarga, volviendo a la condición inicial, bióxido de plomo (PbO2), placa positiva, plomo esponjoso (Pb), placa negativa y ácido sulfúrico (H2SO4) electrólito a 1.260 / 1.280 P.e. de densidad. La tensión aumenta hasta cierto valor, (2.6 Ve), superado el cual se manifiesta la electrólisis del agua que genera la separación del hidrógeno y del oxigeno que son liberadas de las placas positivas y negativas respectivamente. Nótese que cuando el acumulador se está cargando, el cambio que sufre el electrolítico es una transformación del agua en acido sulfúrico. Como consecuencia, la densidad del electrolítico aumenta durante el proceso de carga. En al descarga, el acido sulfúrico disociado reacciona con el peróxido de plomo formando agua. Por ello, durante la descarga, la densidad del electrolítico va disminuyendo. Durante la carga se desprende hidrógeno libre de la placa negativa y oxigeno de la positiva. Debido a la naturaleza explosiva del hidrógeno, cuando una batería está en proceso de carga no debe acercársele ninguna llama. La construcción de acumuladores con placas planas de plomo, como se ha mostrado en la experiencia, no resultaría práctica. La capacidad del elemento seria tan reducida que no seria capaz de suministrar corrientes industrialmente útiles durante intervalos de tiempo cualesquiera; además, el acumulador alcanzaría proporciones prohibitivas si se pretendiese asegurar el área de la placa necesaria. Si en el montaje de la Fig. 5 se prosigue la carga durante un tiempo prolongado, se observa que el peróxido de plo-mo de la placa positiva se desprende en escamas que caen al fondo del vaso. Por lo tanto, en los acumuladores in-dustriales debe adoptarse algún sistema que reduzca al mínimo aquél efecto que inutiliza el material activo. Existen dos métodos para ello: el Planté y el Faure. El dinamo Un dinamo es una máquina que transforma la energía mecánica en energía eléctrica; es decir, permite obtener electricidad a partir de un movimiento. Es la máquina que proporciona la corriente eléctrica que alimenta el faro de una bicicleta. Generadores electromagnéticos Comprobado, mediante el experimento de Faraday, que para que un campo magnético induzca una corriente eléctrica debe haber un movimiento de un imán en las proximidades de una bobina; o también puede inducirse si hacemos girar la bobina dentro del campo magnético de un imán. Esta es la base de los generadores electromagnéticos. Para hacer girar la bobina dentro del campo magnético del imán, utilizaremos energía mecánica, hidráulica, térmica o nuclear que transformaremos en energía eléctrica. Si la corriente eléctrica es continua, el generador es una dinamo; pero si obtenemos corriente alterna, el generador es un alternador, un generador más complicado que el primero y más utilizado en las industrias y ciudades. Los alternadores constan esencialmente de dos partes: El rotor, que es la parte que gira.El estátor, que es la parte que permanece fija. El alternador Un alternador es una máquina que produce corriente eléctrica (alterna) a gran escala. Es la máquina que se utiliza en las centrales eléctricas. En un alternador, el movimiento de una turbina hace girar una bobina conductora situada entre imanes. De esta forma se induce en los hilos conductores de la bobina una corriente eléctrica que luego se transforma, se distribuye, etc., hasta que llega a los hogares, industrias, centros de enseñanza... Esquema del funcionamiento de un alternador, un generador de corriente eléctrica alterna Algunos conceptos básicos para la comprensión de la gestión de la energía eléctrica: La acumulación eléctrica. 1. Un breve repaso: modelo estándar de estructura de la materia La materia ordinaria está formada por átomos y moléculas. Cada átomo o molécula consiste en uno o varios núcleos atómicos (formados por protones y neutrones, con carga positiva) y una nube de electrones (con carga negativa) alrededor, que los mantiene cohesionados, compensando la repulsión electrostática entre ellos. Por razones cuánticas, los electrones de la nube se ordenan en niveles de energía discretos “llenándolos” de menor a mayor energía. Las transiciones de electrones entre niveles se producen mediante la absorción o emisión de cuantos de energía (en forma de fotones de luz, normalmente en la franja de la luz visible y ultravioleta). 2. Potencial eléctrico Se llama potencial eléctrico de un punto material a la cantidad de energía necesaria(absorbida o liberada) para mover una carga positiva unitaria desde el “infinito” (es decir, desde “suficientemente lejos”) hasta dicho punto. El potencial eléctrico depende de la carga y de su distribución espacial. En el Sistema Internacional, se mide en Voltios. Un Voltio es un Julio / Culombio (es decir, es la distribución de carga tal que para desplazar una carga de 1 Culombio desde el infinito hasta el punto material necesita 1 Julio de energía). Por tanto, una diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos puede ser una fuente de energía: trasladando una carga eléctrica de un punto a otro se obtiene o se consume energía, que se puede transformar en trabajo. Normalmente, la materia tiene carga electrostática neutra, es decir, sus moléculas tienen el mismo número de protones y neutrones, lo que se corresponde con un potencial igual a 0 Voltios. Sin embargo:Ciertas moléculas y átomos tienen tendencia a ceder fácilmente sus electrones más externos, cuando éstos se encuentran “apantallados” por los más internos, sobre todo si éstos llenan niveles cuánticos al completo. En este caso, la fuerza de atracción del núcleo es más débil y, aportando pequeñas cantidades de energía, los electrones más externos salen despedidos, dando lugar a moléculas cargadas positivamente (iones positivos o cationes). Se dice entonces que sonelectropositivas. Es el caso, por ejemplo, de los iones del Hidrógeno (H+), los metales alcalinos (Na+, K+, Rb+) y de moléculas como el amonio (NH4+) o el fosfonio (PH4+).Recíprocamente, otras moléculas y átomos tienden a aceptar electrones para rellenar los niveles cuánticos incompletos en su nube de electrones, formando iones negativos o aniones. Se dice entonces que son electronegativas. En este caso, la captura de un electrón del medio supone la liberación de una cantidad de energía. Ejemplos son los aniones de los halógenos (F-, Cl-, Br-), los calcógenos (O2-, S2-) y moléculas como el anión sulfato (SO42-) y nitrato (NO32-).El proceso de aceptar o expulsar electrones es, en principio, reversible y depende delpotencial eléctrico del medio:Las moléculas electropositivas tienen más facilidad para ceder electrones cuantomayor potencial eléctrico (más carga eléctrica positiva) tiene su medio.Las moléculas electronegativas, por el contrario, tienen mayor tendencia a aceptar electrones cuanto menor sea el potencial eléctrico (mayor carga eléctrica negativa) del medio. 3. Oxidación y reducción Cuando una molécula pierde electrones, se dice que se oxida y, cuando los gana, que sereduce. Toda una amplia variedad de reacciones químicas consiste en la transferencia de electrones de una especie que se oxida a otra que se reduce. Normalmente, la transferencia de electrones no es completa, sino que los electrones se “comparten” de alguna forma, aunque a la molécula con mayor tendencia a cederlos se le asocia por convenio un número de oxidación positivo (se dice que se “oxida”) y a la que los acepta, se le da un número de oxidación negativo (se dice que se “reduce”). Este tipo de reacciones se denomina genéricamente “redox” y en ellas se produce variación en el número de oxidación de las moléculas. Ejemplos: 2 Na (sodio metal) + 2 H Cl (ácido clorhídrico) -> 2 Na+ Cl- (sal común) + H2 (hidrógeno gas) En esta reacción, el Sodio metal se oxida a catión Sodio y el Cloro elemental, se reduce a anión Cloro. 2 H2 (hidrógeno gas) + O2 (oxígeno gas) -> 2 (H+)2 O2- (agua) En este caso, realmente no se produce una transferencia electrónica completa, sino que el agua es una molécula en la que Hidrógeno y Oxígeno comparten electrones. Sin embargo, dado que el Oxígeno es mucho más electronegativo que el Hidrógeno, es como si los electrones pasasen más tiempo alrededor del átomo de O que de los átomos de H (de hecho, la molécula H2O tiene un dipolo eléctrico bastante marcado). 4. Electroquímica Las reacciones redox tienen el potencial de convertirse en generadoras de corriente eléctrica. Para ello, hay que separar las reacciones en dos semirreacciones (una de oxidación y otra de reducción) que se desarrollen en ambientes separados y conectar éstos por medio de un conductor eléctrico. Éste es el principio básico de una pila de combustible o una batería (acumulador eléctrico). Separando la reacción en dos:En el ánodo, se produce la reacción de oxidación, con la liberación de electrones, lo que provoca la carga negativa del mismo hasta que se alcanza el potencial de oxidación ( -ΔVo ) y el flujo se detiene.En el cátodo, se produce la reacción de reducción, con la captura de electrones, lo que provoca la carga positiva del mismo hasta que se alcanza el potencial de reducción ( +ΔVr ) y el flujo se detiene.Si ponemos en contacto ánodo y cátodo mediante un conductor, se produce una corriente eléctrica (flujo de electrones) debido a la diferencia de potencial entre ambos. A medida que el flujo eléctrico progresa, se produce paulatinamente la carga positiva en la cuba del ánodo y la carga negativa en la cuba del cátodo. Para que el flujo eléctrico no se detenga por la descompensación de cargas, ambas cubas se ponen en contacto con una disolución salina de iones pequeños (por ejemplo, una sal de litio o de potasio) separándola mediante una membrana semipermeable. De este modo, se produce la compensación de la carga eléctrica y el dispositivo continúa funcionando hasta que se agota el ánodo. Los potenciales de oxidación y reducción oscilan entre -3,15V (para los elementos más electropositivos, como el Litio) y +2,8V para los más electronegativos, como el Flúor. Ocurre, sin embargo, que una batería de elementos electronegativos como Flúor gas (F2) o Cloro (Cl2) sería extremadamente peligrosa por la toxicidad y reactividad de estos gases. De modo que la mayor parte de las baterías producidas industrialmente aprovechan laspequeñas diferencias de potenciales de oxidación y reducción de elementos metálicos(típicamente Zinc, Manganeso, Litio, Sodio, Níquel, Cadmio o Mercurio). Estas diferencias raramente superan los 2V. Para conseguir diferencias de potencial mayores, las celdas de oxidación-reducción se montan en serie: Éste es, por ejemplo, el principio de la pila de Volta (pila de Cobre-Zinc): O la batería de plomo-ácido, característica de los vehículos a motor. Otra versión familiar de pila son las pilas “secas” que en realidad no son tales, sino que tienen electrodos “pastosos” : Por último, otro ejemplo de celda electroquímica es la pila de hidrógeno, en la que el puente salino suele ser una disolución de sal de litio y situarse entre los dos electrodos: 5. El principio del acumulador electroquímico El proceso de una pila electroquímica es, en principio, reversible, es decir, si entre los dos extremos de una batería o pila se establece una diferencia de potencial suficientemente alta (por ejemplo, conectando los bornes a un generador eléctrico), el proceso se invierte y la batería acumula energía química (transfiriendo electrones del cátodo al ánodo). La mayor parte de las baterías reversibles son en fase líquida (es decir, ánodo y cátodo trabajan en una disolución de una sal del metal que los forma), de modo que la descarga va consumiendo el ánodo y regenerando el cátodo y viceversa. 6. ¿Y el segundo principio de la termodinámica? En una serie de trabajos que le valieron un premio Nobel, Williard Gibbs, químico y físico, demostró que la condición de espontaneidad de una reacción química era equivalente a un aumento de la entropía global. De forma esquemática, el desarrollo propuesto por Gibbs es el siguiente: En una reacción química que se desarrolla a temperatura y presión constantes, dado que la entropía es una función de estado, que depende sólo de la materia que forma el sistema y su estado, tenemos: ΔSuniverso = ΔSalrededores + ΔSsistema Pero la variación de entropía del medio es igual al intercambio de calor dividido por la temperatura a la que se realiza dicho intercambio: ΔSalrededores = - ΔHsistema / T Donde T es la temperatura absoluta y ΔHsistema , denominada variación de entalpía, es el calor de reacción a temperatura y presión constantes (adoptamos el convenio de signos “egoísta”, según el cual la energía cedida tiene signo negativo). Por tanto: ΔSuniverso = - ΔHsistema / T + ΔSsistema El principio de evolución (una forma del segundo principio de la termodinámica) indica que la espontaneidad del proceso equivale a una generación neta de entropía, es decir: 0 < ΔSuniverso = - ΔHsistema / T + ΔSsistema Multiplicando por T: 0 < T ΔSuniverso = - ΔHsistema + T ΔSsistema Se puede demostrar que, tanto S como H son variables de estado, por lo tanto: ΔHsistema = Hproductos – Hreactivos ΔSsistema = Sproductos – Sreactivos Por tanto: 0 < T ΔSuniverso = - ( Hproductos – Hreactivos ) + T ( Sproductos – Sreactivos ) Reorganizando: 0 < ( T Sproductos - Hproductos ) - ( T Sreactivos – Hreactivos ) La cantidad G = H – T S tiene dimensiones de energía y recibe el nombre de energía libre de Gibbs. Por tanto, la condición de espontaneidad es (tras cambiar el signo en la desigualdad anterior), equivalente a una disminución neta de energía de Gibbs del sistema: 0 > Gproductos - Greactivos = ΔGsistema Esta desigualdad ha sido verificada empíricamente. Más aún, da una condición de temperatura de equilibrio a la cual la reacción no tiene preferencia para desarrollarse en un sentido u otro: 0 = ΔGsistema = ΔHsistema – T ΔSsistema es decir T = ΔHsistema / ΔSsistema 7. Consecuencias sobre el rendimiento de las pilas y baterías Dado que todo conductor tiene una resistencia, por pequeña que ésta sea, y que el paso de una corriente eléctrica por una resistencia libera calor (según la ley de Joule), toda batería electroquímica genera un calor (que se dispersa como entropía) que es absorbido por el medio. Del mismo modo, la mayor parte de las reacciones químicas implican una variación de entalpía (calor libre), que pasa a transferirse al sistema y, desde él, al medio. En el caso de las celdas electroquímicas, al igual que en las máquinas de vapor, se intenta minimizar la generación de entropía:Aislando convenientemente el dispositivo y trabajando a altas temperaturas(como en la pila de hidrógeno).O bien, trabajando a muy bajas temperaturas (con superconductores) para minimizar la producción de calor por efecto Joule y la transferencia de calor al medio.El rendimiento termodinámico de una pila electroquímica es: Ƞ = ΔGsistema / ΔHsistema Sabemos que: ΔGsistema = ΔHsistema - T ΔSsistema Es decir: Ƞ = ΔGsistema / ΔHsistema = 1 - T ΔSsistema / ΔHsistema Por tanto, al igual que en las máquinas térmicas, el rendimiento máximo termodinámico mejora con la temperatura. Con las pilas de hidrógeno, el rendimiento termodinámico puede llegar al 83%. EL CIRCUITO ELÉCTRICO Circuito elemental 1.- El circuito eléctrico elemental. El circuito eléctrico es el recorrido preestablecido por por el que se desplazan las cargas eléctricas. Las cargas eléctrica que constituyen una corriente eléctrica pasan de un punto que tiene mayor potencial eléctrico a otro que tiene un potencial inferior. Para mantener permanentemente esa diferencia de potencial, llamada también voltaje otensión entre los extremos de un conductor, se necesita un dispositivo llamado generador (pilas, baterías, dinamos, alternadores...) que tome las cargas que llegan a un extremo y las impulse hasta el otro. El flujo de cargas eléctricas por un conductor constituye una corriente eléctrica. Se distinguen dos tipos de corrientes: Corriente continua: Es aquella corriente en donde los electrones circulan en la misma cantidad y sentido, es decir, que fluye en una misma dirección. Su polaridad es invariable y hace que fluya una corriente de amplitud relativamente constante a través de una carga. A este tipo de corriente se le conoce como corriente continua (cc) o corriente directa (cd) , y es generada por una pila o batería. Este tipo de corriente es muy utilizada en los aparatos electrónicos portátiles que requieren de un voltaje relativamente pequeño. Generalmente estos aparatos no pueden tener cambios de polaridad, ya que puede acarrear daños irreversibles en el equipo. Corriente alterna: La corriente alterna es aquella que circula durante un tiempo en un sentido y después en sentido opuesto, volviéndose a repetir el mismo proceso en forma constante. Su polaridad se invierte periódicamente, haciendo que la corriente fluya alternativamente en una dirección y luego en la otra. Se conoce en castellano por la abreviación CA y en inglés por la de AC. Este tipo de corriente es la que nos llega a nuestras casas y sin ella no podríamos utilizar nuestros artefactos eléctricos y no tendríamos iluminación en nuestros hogares. Este tipo de corriente puede ser generada por un alternador o dinamo, la cual convierten energía mecánica en eléctrica. El mecanismo que lo constituye es un elemento giratorio llamado rotor, accionado por una turbina el cual al girar en el interior de un campo magnético (masa), induce en sus terminales de salida un determinado voltaje. A este tipo de corriente se le conoce como corriente alterna (a). Pilas y baterías: Las pilas y las baterías son un tipo de generadores que se utilizan como fuentes de electricidad. Las baterías, por medio de una reacción química producen, en su terminal negativo, una gran cantidad de electrones (que tienen carga negativa) y en su terminal positivo se produce una gran ausencia de electrones (lo que causa que este terminal sea de carga positiva). Ahora si esta batería alimenta un circuito cualquiera, hará que por éste circule una corriente de electrones que saldrán del terminal negativo de la batería, (debido a que éstos se repelen entre si y repelen también a los electrones libres que hay en el conductor de cobre), y se dirijan al terminal positivo donde hay un carencia de electrones, pasando a través del circuito al que está conectado. De esta manera se produce la corriente eléctrica. Fuerza electromotriz de un generador: Se denomina fuerza electromotriz (FEM) a la energía proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre corriente eléctrica. Para ello se necesita la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos o polos (uno negativo y el otro positivo) de dicha fuente, que sea capaz de bombear o impulsar las cargas eléctricas a través de un circuito cerrado. A. Circuito eléctrico abierto (sin carga o resistencia). Por tanto, no se establece la circulación de la corriente eléctrica desde la fuente de FEM (la batería en este caso). B. Circuito eléctrico cerrado, con una carga o resistencia acoplada, a través de la cual se establece la circulación de un flujo de corriente eléctrica desde el polo negativo hacia el polo positivo de la fuente de FEM o batería. Resumiendo, un generador se caracteriza por su fuerza electromotriz, fem, que es la energía que proporciona a la unidad de carga que circula por el conductor. Fuerza electromotriz = energía/Carga fem= E/Q La unidad de fuerza electromotriz en el SI es el voltio (V): 1 voltio = 1 julio / 1 culombio Voltímetro: La ddp y la fem se pueden medir conectando un voltímetro entre dos puntos de un circuito o entre los terminales de un generador. El voltímetro siempre se conecta en paralelo. La escala de un voltímetro viene expresada en voltios. Para efectuar la medida de la diferencia de potencial el voltímetro ha de colocarse en paralelo, esto es, en derivación sobre los puntos entre los que tratamos de efectuar la medida. Esto nos lleva a que el voltímetro debe poseer una resistencia interna lo más alta posible, a fin de que no produzca un consumo apreciable, lo que daría lugar a una medida errónea de la tensión. Para ello, en el caso de instrumentos basados en los efectos electromagnéticos de la corriente eléctrica, estarán dotados de bobinas de hilo muy fino y con muchas espiras, con lo que con poca intensidad de corriente a través del aparato se consigue la fuerza necesaria para el desplazamiento de la aguja indicadora. En la actualidad existen dispositivos digitales que realizan la función del voltímetro presentando unas características de aislamiento bastante elevadas empleando complejos circuitos de aislamiento.En la Figura se puede observar la conexión de un voltímetro (V) entre los puntos de a y b de un circuito, entre los que queremos medir su diferencia de potencial. En algunos casos, para permitir la medida de tensiones superiores a las que soportarían los devanados y órganos mecánicos del aparato o los circuitos electrónicos en el caso de los digitales, se les dota de una resistencia de elevado valor colocada en serie con el voltímetro, de forma que solo le someta a una fracción de la tensión total. Conexión de un voltímetro en un circuito Asociación de pilas: Asociación De Pilas En Serie Las pilas pueden conectarse en serie cualesquiera que sean las fuerzas electromotrices y la máxima corriente que cada una de ellas pueda suministrar. Evidentemente, al conectarlas en serie, las fuerzas electromotrices se suman, así como sus resistencias internas. Se puede notar que la pila equivalente al conjunto de las n pilas resulta con una f.e.m. mayor, pero, con una resistencia interna mayor, lo cual empeora la situación en este punto. Se debe considerar, además, la corriente máxima que puede suministrar cada una de ellas. La asociación serie sólo podrá suministrar la corriente de la pila que menos corriente es capaz suministrar. pilas en serie Asociación De Pilas En Paralelo Al conectar pilas en paralelo debe tenerse en cuenta que sean todas de la misma f.e.m., ya que, en caso contrario, fluiría corriente de la de más f.e.m. a la de menos, disipándose potencia en forma de calor en las resistencias internas, agotándolas rápidamente. Si todas ellas son del mismo voltaje el conjunto equivale a una sola pila de la misma tensión, pero con menor resistencia interna. Además, la corriente total que puede suministrar el conjunto es la suma de las corrientes de cada una de ellas, por concurrir en un nudo. La asociación en paralelo por tanto, podrá dar más corriente que una sola pila, o, dando la misma corriente, tardará más en descargarse. pilas en paralelo 2.- Intensidad de corriente. La intensidad del flujo de los electrones de una corriente eléctrica que circula por un circuito cerrado depende fundamentalmente de la tensión o voltaje (V) que se aplique y de la resistencia (R) en ohm que ofrezca al paso de esa corriente la carga o consumidor conectado al circuito. Si una carga ofrece poca resistencia al paso de la corriente, la cantidad de electrones que circulen por el circuito será mayor en comparación con otra carga que ofrezca mayor resistencia y obstaculice más el paso de los electrones. Por tanto, definimos la intensidad de corriente eléctrica, I, como la cantidad de carga eléctrica que circula por una sección de un conductor en la unidad de tiempo. Intensidad = carga/tiempo I= Q/t Analogía hidráulica. El tubo del depósito "A", al tener un diámetro reducido, ofrece más resistencia a la salida del líquido que el tubo del tanque "B", que tiene mayor diámetro. Por tanto, el caudal o cantidad de agua que sale por el tubo "B" será mayor que la que sale por el tubo "A". Mediante la representación de una analogía hidráulica se puede entender mejor este concepto. Si tenemos dos depósitos de líquido de igual capacidad, situados a una misma altura, el caudal de salida de líquido del depósito que tiene el tubo de salida de menos diámetro será menor que el caudal que proporciona otro depósito con un tubo de salida de más ancho o diámetro, pues este último ofrece menos resistencia a la salida del líquido. De la misma forma, una carga o consumidor que posea una resistencia de un valor alto en ohm, provocará que la circulación de los electrones se dificulte igual que lo hace el tubo de menor diámetro en la analogía hidráulica, mientras que otro consumidor con menor resistencia (caso del tubo de mayor diámetro) dejará pasar mayor cantidad de electrones. La diferencia en la cantidad de líquido que sale por los tubos de los dos tanques del ejemplo, se asemeja a la mayor o menor cantidad de electrones que pueden circular por un circuito eléctrico cuando se encuentra con la resistencia que ofrece la carga o consumidor. La intensidad de la corriente eléctrica se designa con la letra ( I ) y su unidad de medida en el Sistema Internacional ( SI ) es el amper (llamado también “amperio”), que se identifica con la letra ( A ). EL AMPER De acuerdo con la Ley de Ohm, la corriente eléctrica en amper ( A ) que circula por un circuito está estrechamente relacionada con el voltaje o tensión ( V ) y la resistencia en ohm () de la carga o consumidor conectado al circuito. Definición del amper Un amper ( 1 A ) se define como la corriente que produce una tensión de un volt ( 1 V ), cuando se aplica a una resistencia de un ohm ( 1 ). Un amper equivale una carga eléctrica de un coulomb por segundo ( 1C/seg ) circulando por un circuito eléctrico, o lo que es igual, 6 300 000 000 000 000 000 = ( 6,3 · 1017 ) (seis mil trescientos billones) de electrones por segundo fluyendo por el conductor de dicho circuito. Por tanto, la intensidad ( I ) de una corriente eléctrica equivale a la cantidad de carga eléctrica ( Q ) en coulomb que fluye por un circuito cerrado en una unidad de tiempo. Los submúltiplos más utilizados del amper son los siguientes: miliamper ( mA ) = 10-3 A = 0,001 amper microamper ( mA ) = 10-6 A = 0, 000 000 1 amper. El amperímetro: La medición de la corriente que fluye por un circuito cerrado se realiza por medio de un amperímetro o un miliamperímetro, según sea el caso, conectado en serie en el propio circuito eléctrico. Para medir amper se emplea el "amperímetro" y para medir milésimas de amper se emplea el miliamperímetro. La intensidad de circulación de corriente eléctrica por un circuito cerrado se puede medir por medio de un amperímetro conectado en serie con el circuito o mediante inducción electromagnética utilizando un amperímetro de gancho. Para medir intensidades bajas de corriente se puede utilizar también un multímetro que mida miliamper (mA). El ampere como unidad de medida se utiliza, fundamentalmente, para medir la corriente que circula por circuitos eléctricos de fuerza en la industria, o en las redes eléctricas doméstica, mientras que los submúltiplos se emplean mayormente para medir corrientes de poca intensidad que circulan por los circuitos electrónicos. 3.- Resistencia. La resistencia de un material es una medida que indica la facilidad con que una corriente eléctrica puede fluir a través de él. La resistencia de un conductor es directamente proporcional a su longitud e inversamente proporcional a su sección y varía con la temperatura. Símbolos eléctricos Medida de la resistencia. Ley de Ohm. La resistencia de un conductor es el cociente entre la diferencia de potencial o voltaje que se le aplica y la intensidad de corriente que lo atraviesa R= Va-Vb /I. Es la expresión matemática de la ley de Ohm. La unidad de resistencia en el SI es el ohmio : 1 ohmio = 1 voltio / 1 amperio. Un ohmio es la resistencia que opone un conductor al paso de la corriente cuando, al aplicar a sus extremos una diferencia de potencial de un voltio, deja pasar una intensidad de corriente de un amperio. A partir de la ley de Ohm se puede calcular la diferencia de potencial entre los extremos de una resistencia de la siguiente forma: Va-Vb = I * R Asociación de resistencias: Serie: Es cuando las resistencias están una detrás de otra. La intensidad en cada resistencia son iguales. VT = V1 + V2 + V3 + ... RT = R1 + R2 + R3 + ... Ejemplo: RT = 5 + 3 + 10 = 18 IT = VCC / RT VR1 = 5 x IT VR2 = 3 x IT VR3 = 10 x IT Paralelo: Es cuando las entradas de cada resistencia están conectadas a un mismo punto y las de salida en otro. El voltaje de cada resistencia es igual al de la Vcc. IT = IR1 + IR2 + IR3 + ... RT = (1 / R1) + (1 / R2) + (1 / R3) + ... Ejemplo: RT = (1 / 5) + (1 / 3) + (1 / 10 ) = 1.57 RR1+R2 = (5 x 3) / (5 + 3) = 1.87 RT = (1.87 x 10) / (1.87 + 10) = 1.57 IT = Vcc / RT IR1 = Vcc / 5 IR2 = Vcc / 3 IR3 = Vcc / 10 Pasos a seguir para resolver problemas aplicando la ley de Ohm: Dibuja un esquema del circuito.Halla la resistencia equivalente del circuitoUtiliza la expresión I = (Va-Vb)/ R o I = fem/R para calcular la intensidad del circuito principalAplica la ley de Ohm en las diferentes secciones del circuito. 4.- Potencia La potencia de un aparato electrónico es la energía eléctrica consumida en una unidad de tiempo (por lo general, un segundo). potencia = energía consumida/ tiempo P=E/t La unidad de potencia en el SI es el vatio (W). A menudo la potencia viene expresada en kilowatios. 1kW= 1000 W. P = (VA-VB)*I De esta ecuación se deduce que: Una diferencia de potencial más elevada origina una potencia mayor, porque cada electrón transporta mucha más energía. Una intensidad mayor incrementa la potencia, pues hay más electrones que gastan su energía cada segundo. Ejemplo: Calcula la intensidad de una bombilla de 100W a 220V y calcula su resistencia. I = P / V = 100 / 200 = 0.45A R = P / I2 = 100 / (0.45)2 = 483 El consumo de energía eléctrica: La energía eléctrica consumida se calcula a partir de la expresión de la potencia multiplicada por el tiempo- Energía consumida = potencia * tiempo E=P*t La energía viene dada en Julios (1 Julio = 1 vatio * 1 segundo). No obstante, esta no es la unidad de energía eléctrica que aparece en algunos sitios, sino el kilovatio por hora. 1Kw *h = 3600000 J. 5.- Efectos de la corriente eléctrica. Al hablar de los efectos de la corriente eléctrica, nos referimos a las diferentes posibilidades de transformación de la energía eléctrica en otras formas de energía útiles para los seres humanos. Efecto calorífico o térmico. Podemos describir el movimiento de los electrones en un conductor como una serie de movimientos acelerados, cada uno de los cuales termina con un choque contra alguna de las partículas fijas del conductor. Los electrones ganan energía cinética durante las trayectorias libres entre choques, y ceden a las partículas fijas, en cada choque, la misma cantidad de energía que habían ganado. La energía adquirida por las partículas fijas (que son fijas solo en el sentido de que su posición media no cambia) aumenta la amplitud de su vibración o sea, se convierte en calor. Para deducir la cantidad de calor desarrollada en un conductor por unidad de tiempo, hallaremos primero la expresión general de la potencia suministrada a una parte cualquiera de un circuito eléctrico. Cuando una corriente eléctrica atraviesa un conductor, éste experimenta un aumento de temperatura. Este efecto se denomina “efecto Joule”. Es posible calcular la cantidad de calor que puede producir una corriente eléctrica en cierto tiempo, por medio de la ley de Joule. E = I 2 * R * t Efecto luminoso. La energía eléctrica se transforma en energía lumínica a través de la energía calorífica. Si deseas más información sobre la energía calorífica . Efecto químico. La energía eléctrica se transforma en energía química a través de la electrólisis. Electrólisis: Electrolisis, parte de la química que trata de la relación entre las corrientes eléctricas y las reacciones químicas, y de la conversión de la energía química en eléctrica y viceversa. En un sentido más amplio, la electrolisis es el estudio de las reacciones químicas que producen efectos eléctricos y de los fenómenos químicos causados por la acción de las corrientes o voltajes. La mayoría de los compuestos inorgánicos y algunos de los orgánicos se ionizan al fundirse o cuando se disuelven en agua u otros líquidos; es decir, sus moléculas se disocian en componentes cargados positiva y negativamente que tienen la propiedad de conducir la corriente eléctrica. Si se coloca un par de electrodos en una disolución de un electrolito (o compuesto ionizable) y se conecta una fuente de corriente continua entre ellos, los iones positivos de la disolución se mueven hacia el electrodo negativo y los iones negativos hacia el positivo. Al llegar a los electrodos, los iones pueden ganar o perder electrones y transformarse en átomos neutros o moléculas; la naturaleza de las reacciones del electrodo depende de la diferencia de potencial o voltaje aplicado. La acción de una corriente sobre un electrolito puede entenderse con un ejemplo sencillo. Si el sulfato de cobre se disuelve en agua, se disocia en iones cobre positivos e iones sulfato negativos. Al aplicar una diferencia de potencial a los electrodos, los iones cobre se mueven hacia el electrodo negativo, se descargan, y se depositan en el electrodo como elemento cobre. Los iones sulfato, al descargarse en el electrodo positivo, son inestables y combinan con el agua de la disolución formando ácido sulfúrico y oxígeno. Esta descomposición producida por una corriente eléctrica se llama electrólisis. En todos los casos, la cantidad de material que se deposita en cada electrodo al pasar la corriente por un electrolito sigue la ley descubierta por el químico físico británico Michael Faraday.