Utilización de pilas recargables

Electrónica. Pilas y baterías. Pila de Leclanche. Celda de Daniell. Pila Níquel Cadmio

  • Enviado por: Magu Casaccia
  • Idioma: castellano
  • País: Argentina Argentina
  • 11 páginas
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T.P.Nº

IV

TITULO DEL TRABAJO PRACTICO

Utilización de Pilas Recargables

ASIGNATURA

Instalación y Equipos Electrónicos

CUAT./AÑO

PROFESOR:

Integrantes del grupo:

Correcciones

Evaluación

Fase I

Fase II

Entrega

Devolución

Entrega

Devolución

Nota

Nota

Nota

Firma del JTP

Aclaración

                  • Índice

Utilización de Pilas Recargables.

1 Introducción……………………………………………………………..3

Reseña Histórica…………………………………………………..3

Celda de Daniell …………………………………………………..3

Pila de Leclanche …………………………………………………4

Pila de Zn-Carbón…………………………………………………4

2 Conceptos Básicos……………………………………………………...5

Pila y batería……………………………………………………..….5

Pilas primarias y secundarias………………………………….....5

Pilas húmedas y secas ……………………………………………6

Capacidad de una pila …………………………………………….7

Consideraciones al momento de cargar una pila……………….7

Redox………………………………………………………………...7

Organismos aerobios y anaerobios………………………………7

3 Pilas Secundarias o Recargables……………………………………...8

Acumulador de plomo ………………………………………..……8

Pila Níquel Cadmio (Ni-Cd)………………………………………..8

Pila de Níquel Hidrogeno e Hidruro de Níquel Metal……..…….8

Limitaciones muy importantes…………………………………….8

Eficiencia…………………………………………………………....9

Pilas Biológicas……………………………………………………..9

¿Cómo es el proceso?................................................................10

4 Conclusión………………………………………………………………..10

5 Bibliografía………………………………………………………………..10

                  • 1. INTRODUCCIÓN

Con la popularización de equipos como las cámaras digitales y los reproductores MP3 Players, las pilas recargables son cada vez más utilizadas. El motivo principal es el hecho de que las pilas descartables son caras para quienes necesitan un uso constante de ellas. Este informe indicara las principales características de las pilas recargables, incluyendo la capacidad, los tipos más comunes de pilas recargables y los cargadores que hay que utilizar e inclusive una breve descripción de como reciclar una batería ,que nos es más que un arreglo de pilas recargables dispuesta en conexión serie, paralelo o mixtas.

  • Reseña histórica.

  • La mayoría de los historiadores datan el origen del desarrollo de la pila al siglo XVIII. Sin embargo, algunos hallazgos arqueológicos pueden dar orígenes hasta 2000 años atrás. En 1938 se halló en Irak un recipiente de 12,7cm que contenía un cilindro de cobre con una varilla de hierro. La cual un grupo de científicos la definieron como la pila mas antigua.

    La historia de la Pila va de la mano con el desarrollo de aparatos que las utilizan.

    ●1798 El físico, Alessandro Volta, construyo la primera pila voltaica. Estaba formada de una pila de discos de cobre y de zinc alternadamente separadas por discos de carton humedecido en una solución acida.

    Figura 1 Pila Voltaica.

    ●1836 John Frederic Daniell desarrolló algo conocido como la “celda de Daniell”; esta celda fue la primera en usar algunos de los elementos de la pila común que aún se utilizan hoy en día.

    Figura 2 Celda de Daniell.

    ●1860 George Leclanché de Francia desarrolló lo que sería la precursora de la primera pila utilizada en el mundo entero: la celda de zinc-carbón. Si bien la celda de Leclanché era resistente y económica, en la década de 1880 fue reemplazada por una versión mejorada: la “pila seca”, que es básicamente la celda de zinc-carbón que hoy todavía se sigue utilizando en muchas partes del mundo.

    Figura 3 Pila de Leclanchè Figura 4 Pila Zn-Carbón

    ●1950 En esta década se desarrolló la tecnología de la pila alcalina. Al usar un electrolito alcalino y otros ingredientes activos, la celda alcalina obtuvo importantes beneficios de rendimiento en comparación con las pilas de zinc-carbón. La pila alcalina tiene más densidad de energía, mayor vida útil de almacenamiento, y muchos otros beneficios en comparación con las pilas comunes de zinc-carbón.

            • Figura 4. Pila alcalina.

    2. Conceptos básico.

    Luego de haber realizado una pequeña reseña histórica se citara los conceptos básicos pertinentes al tema en cuestión.

    2.1 Definiciones:

    Una pila es un dispositivo electroquímico que consiste en dos electrodos de materiales diferentes y un electrolito. La reacción química entre los dos electrodos y el electrolito produce una diferencia de potencial.

    Figura 5 Símbolo de una pila

    ●Una batería consta de dos o más pilas conectada eléctricamente entre si y envasada como una sola unidad.

    Figura 6. Símbolo de una batería.

    Las pilas y baterías se clasifican como primarias o secundarias.

    ●Las pilas primarias son las pilas no recargables, o sea, la química que tiene lugar durante la descarga no es fácilmente reversible. Cuando los elementos químicos que se utilizan en la reacción se han transformado completamente, la pila está completamente descargada. Entonces sebe ser sustituida por una nueva pila.

    Ejemplos de pilas primarias.

    →Carbón-zinc.

    →Cloruro de zinc.

    →La gran mayoría de pilas alcalinas.

    →Oxido de plata.

    →Mercurio.

    Figura 7. Pila cloruro de zinc. Figura 8 Pila óxido de Mercurio.

            • ●Las pilas secundarias pueden descargarse y cargarse muchas veces, el número de ciclo de descarga que una pila puede soportar depende del tipo, tamaño y condiciones de funcionamiento.

    Ejemplos de pila recargables

    →Alcalinas Recargables.

    →Plomo

    →Níquel Cadmio

    →Níquel Hidruro de Metal

            • Figura. 9 Alcalinas recargables. Figura.10 Batería de plomo

    Figura.11 Níquel cadmio Figura 12 Níquel metal

    Pila húmeda: Son pilas que deben funcionar en una posición determinada por el fabricante. Estas pilas tienen respiradores para permitir salir a los gases generados durante la carga/descarga. La mayoría de las pilas húmedas son de Acido-Plomo.

    Pila Seca: Históricamente una pila seca fue la que tenía por electrolito una pasta o gel.

    Hoy en día el término <<pila seca>> se refiere a una pila que puede funcionar en cualquier posición sin perder el electrolito.

    ●Capacidad de una pila: Es la cantidad de energía que una pila pueda almacenar bajo ciertas condiciones dadas. Las condiciones son temperatura, corriente suministrada, tasa de descarga y tensión de salida. La capacidad de una pila se expresa en Ampere-hora (Ah).

    Por ejemplo una capacidad de 50 A/h entrega 2.5Amp.

    En caso de tener 100Ah

    Ampere [A]

    Horas

    1

    100

    2

    50

    10

    10

    La energía es W=Pt siendo P=VI ꞊> W=V.I.t

    La resistencia interna: La tensión de salida de una pila varía al variar la carga de la misma. La carga de una pila se refiera a la cantidad de corriente que toma de ella. Al aumentar la carga, la tensión de salida disminuye y viceversa. La variación de tensión se debe a la resistencia interna de la pila. La tensión en los terminales es igual a la tensión debido a la reacción química menos la caída de tensión en la resistencia interna.

    Consideraciones al momento de cargar una pila o batería.

    Las baterías deben ser cargadas solo con corriente continua. Hay que conectar el cable + del cargador con el polo + del acumulador y el cable - del cargador con el polo - . Para efectuar la recarga hay que utilizar una corriente equivalente a 1/10 de la capacidad nominal (A/h) de la batería. Por ejemplo una batería de 50 A/h debe ser recargada a 5 A.

    Figura 13 Multicargador de pilas y baterías de 9V

    ●Redox: En este proceso se produce una transferencia de electrones del átomo que se oxida al átomo que se reduce.

    Organismos Aerobios y Anaerobios: Para obtener energía, los organismos realizan dos tipos de metabolismo. Los organismos que requieren de oxígeno para sus procesos se denominan aerobios como ser animales y plantas. Los organismos anaerobios no requieren de oxígeno y de hecho este elemento es toxico para ellos. La mayoría de los organismos anaerobios son las bacterias.

    3. Pila secundaria

    Acumulador de plomo.

    La pila recargable o acumulador, puede cargarse revirtiendo la reacción química, la pila de Plante de plomo y acido (inventada por el físico francés Gastón Plante), es la que más se utiliza por la ventaja de poder producir una corriente eléctrica suficiente para arrancar un motor; sin embargo, se agota rápidamente. Utiliza una disolución diluida en ácido sulfúrico como conductor iónico o electrolito para transportar corriente. El electrodo negativo es de plomo y el electrodo positivo de dióxido de plomo. Al recargarse las pilas, las reacciones químicas se invierten hasta que los productos químicos vuelvan a su condición original; el acumulador se agota finalmente porque con el tiempo el ácido sulfúrico se trasforma en agua y sulfato de plomo. Las pilas o acumuladores de plomo acido tienen una vida útil más o menos de 3 años.

    Pilas de Níquel Cadmio.

    Esta pila utiliza una solución de hidróxido de potasio como electrolito, el electrodo positivo es hidróxido de níquel y el negativo es de cadmio. Las pilas Ni-Cd son generadores seguros y robustos. Como pilas húmedas y ventiladas, han estado en uso limitado durante muchos años en diversos tipos de servicios. Cuando los avances tecnológicos han hecho posible producir una pila seca de Ni-Cd, la popularidad de dicha pila aumento notablemente, esta se encuentra herméticamente sellada y puede utilizarse en cualquier posición. Por lo general se la encuentra con forma de botón o cilíndrica y sus capacidades oscilan de unos pocos miliamperios/hora a 5 o 6 A/h. Con una muy buena vida útil de miles de ciclos de carga/descarga, también pueden mantenerse a temperaturas de -40º a 60º C.

    Otras características notables son:

    →Buen funcionamientos a temperaturas bajas.

    →Elevado coste inicial, pero bajo coste de funcionamiento.

    →Muy baja resistencia interna. Por lo tanto, pueden proporcionar buena corriente con . pocas caídas de tensión.

    →Tensión casi constante, aproximadamente 1,2 V.

    Pilas de Níquel-Hidrogeno e Hidruro de Níquel-Metal.

    En la actualidad, las aplicaciones de la celda de Níquel-Hidrogeno se encuentran limitadas principalmente a vehículos espaciales, donde se requieren baterías de alta densidad de energía que sean resistentes, confiables y que sean capaces de soportar un gran número de ciclos de cargas y descargas durante un periodo relativamente grande. La pila de Níquel-metal es realmente un hibrido de las pilas Ni Cd y Ni-H, que combinas las características positivas de cada una de ellas para crear un producto con un nivel de energía bastante alto y empaquetamiento pequeño, además posee un largo ciclo de vida útil. A pesar de ser relativamente caro, este hibrido es una opción válida para aplicaciones de tipo baterías de computadoras portátiles.

    ¡Limitaciones muy importantes.

    Hasta el ahora hemos vistos característica de algunas pilas recargables basadas en reacciones químicas el primer inconveniente con este tipos de pilas es su eficiencia

    ● Eficiencia = (Energía)/ (peso de la pila).

    En la expresión anterior se puede observar que la eficiencia es un factor de mérito, es decir a medida que aumenta es mejor, si bien hoy en día la tecnología ha logrado conseguir optimizar la eficiencia, continua apareciendo aparatos portátiles aún más pequeños.

    Como otra limitación muy importante podemos mencionar que, para muchas aplicaciones en biología, se emplean pilas de mercurio la cual tiene una vida útil mayor que las pilas voltaicas tradicionales y son más estables y eficientes, también podemos encontrar pilas radioactivas.

    Una pila de mercurio para un marca pasos tiene una vida útil de 2 años y una pila radioactiva de 10 años por lo que necesitan ser renovadas, lo que implican una operación con sus correspondientes riesgos. Por ello se ha investigado la posibilidad de utilizar fluidos corporales para obtener energía química que hagan funcionar la pila, se han desarrollado dos posibilidades que utilizan como electrolito constituyentes corporales que podemos llamar pilas biológicas. En ambos tipos de pilas biológicas la dificultad que ha surgido es el problema de la reacción de rechazo a un cuerpo extraño del tejido que lo rodea. Los mecanismos de defensa del cuerpo intentan encapsular el cuerpo extraño dentro de una seudomembrana fibrosa y gruesa que lo aísle del resto del organismo e impedir la interferencia con su funcionamiento normal. Para este tipo se problema se está utilizando Bioelectromagnetismo, existe otra forma de obtener bioelectricidad a través de las bacterias. Con anterioridad a que se descubran estas bacterias ya se conocía que otras eran capaces de producir electricidad en presencia de mediadores redox artificiales, unos compuestos solubles que, de forma artificial, hacían de puente entre bacterias y electrodos. No obstante lo ideal era disponer de bacterias capaces de hacer esa transferencia por sí mismas. Lo más parecido a transferir los electrones a un electrodo que está fuera de la célula es transferirlo a un sustrato insoluble extracelular. Este tipo de reacciones ocurren en la naturaleza, en el subsuelo terrestre, y las realizan los microorganismos anaerobios reductores de hierro, que `respiran' minerales al transferirles los electrones. Este tipo de metabolismo se ha empezado a estudiar en detalle a principios de esta década. Hasta entonces se conocía muy poco de estas bacterias, pero en esos años había un especial caldo de cultivo. En el año 2002, Derek Lovley, tras descubrir la primera bacteria, de nombre Geobacter, que respiraba hierro, simplemente se preguntó: ¿Si Geobacter ha sido optimizada por la naturaleza, durante millones de años, para transferirle los electrones a minerales de hierro, por qué no iba a funcionar con otro material sólido como un electrodo de grafito? Y así se descubrió y se publicó en Science la nueva habilidad de Geobacter.

    ¿Qué grado de aprovechamiento de la energía que producen se puede lograr?

    La eficiencia de este tipo de procesos se mide en eficiencia coulombimétrica, que es el porcentaje de electrones contenidos en la materia orgánica que son transferibles y, por tanto, útiles a los electrodos. Esta transferencia va a depender del tipo de combustible y del tipo de bacteria. La eficiencia más alta descrita (el 90%) la tienen las bacterias del género Geobacter cuando oxidan un combustible como el ácido acético, uno de los componentes más abundantes del vinagre casero. El que las bacterias electro génicas transformen con tanta eficiencia el acetato es muy interesante, ya que es el producto final de las fermentaciones que otros microorganismos no pueden degradar en los ambientes naturales.

    ¿Cómo es el proceso?

    Básicamente las bacterias oxidan la mataría orgánica (le extraen los electrones y la transforman en CO2) como todos los seres vivos. Normalmente estos electrones son consumidos por el oxígeno que se transforma en agua, llamado respiración. Sin respiración no tendríamos donde poner los electrones y no podríamos oxidar la materia orgánica. En el caso de las bacterias electro génicas las `engañamos' poniéndoles delante un trozo de grafito que es conductor. Las bacterias se pegan al grafito y le sueltan los electrones para librarse de ellos. Mientras eso ocurre se genera una corriente eléctrica que nosotros podemos utilizar o acumular en baterías para su uso posterior.

    4. CONCLUSION

    Mediante el presente trabajo se logró brevemente dar una idea de la evolución de la pila de la mano de las tecnologías y necesidades , que hoy en día cualquier persona cuenta con un teléfono móvil y dicho teléfono posee una batería, ya sea un juguete ,un auricular para personas con dificultades auditivas, un marca pasos, y un gran número de dispositivos que utiliza pilas o batería nos muestran la importancia de estas fuentes de energía. Las diferentes maneras de usos es la que impone las limitaciones de las mismas, es decir en un audífono lógicamente no intentaremos montar una batería de ácido plomo, para esto existen las pilas con el tamaño acorde y su adecuada eficiencia. Actualmente existen una gran variedad de pilas recargables acordes al uso de cada dispositivo, incluso la utilización de bioelectricidad como una alternativa realmente ecológica y futurista. El futuro de las pilas pasa por varios interesantes desafíos. Primero, conseguir cada vez pilas más pequeñas y livianas. Segundo, conseguir que con esas reducciones de dimensiones y peso, las pilas puedan almacenar cada vez más. Tercero, conseguir que, con todas esas capacidades, podamos ver cargas completas en pocos minutos.

            • 5. BIBLIOGRAFÍA

    [1] http://www.energizer.cl/battery-history

    [2] Electricidad principio y aplicaciones, Richard J. Fowler, Editorial Reverte.

    [3] ¿Qué es el electromagnetismo?, Arnaldo Gonzales Arias, Ediciones Universidad Salamanca.

    [4] Introducción al Análisis de Circuitos, Boylestad décima edición, Pearson Prentice Hall

    [5] Bioelectromagnetismo, Miguel Aguilar Gutiérrez, RAYCAR S.A. Impresores.

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