UNIDAD EDUCATIVA “TRICOLOR”
Inscrita en el Ministerio del Poder Popular para par a la Educación Asignatura: Física
Construcción y asociación de pilas
Profesora: Marvery Bolívar
Integrantes: Lázaro, Juan C. Navas, Alexander Torres, Juan C. Zambrano, Yarisbeth
Caracas, 4 de mayo de 2012
Introducción
Las pilas han venido evolucionando con el paso del tiempo, convirtiéndose en elementos indispensable para el funcionamiento de aparatos que necesitan energía eléctrica. Como se ha de suponer las primeras comenzaron siendo experimentos, pero la búsqueda por las mejoras se volvió intensa y se intentaron distintos procesos energéticos y químicos hasta obtener una funcional fuente portable de energía temporal. En el siguiente informe se plantean los pasos que se siguieron para la realización de un experimento, cuyo propósito general es la demostración del funcionamiento y composición de una pila. Específicamente utilizando algunos materiales de fácil obtención; esto expone el verdadero propósito del mismo: comprobar que con objetos comunes se puede fabricar una pila, de muy poco voltaje y efímera duración, pero muy útil para el aprendizaje propio. También se expresan las conclusiones obtenidas luego de la realización de dichos experimentos, lo que es prueba clara que muchas veces la realización de actividades prácticas ayuda mas al aprendizaje de un tema en especifico que hasta la lectura de un libro.
Marco teórico 1. Pila
Llamada también celda galvánica o voltaica, es un elemento generador eléctrico, capaz de transformar la energía química que se lleva acabo internamente en energía eléctrica. Una pila no es más ni menos que una reacción química. Esta diseñada para ser descargada a través de un circuito externo; es simplemente una reacción Redox (OxidoReducción) en la cual los electrones circulan a través de un electrolito conductor de iones y van de un electrodo al otro. Cuando los electrodos reaccionan con el electrolito, en uno de los electrodos (el ánodo) se producen electrones (oxidación), y en el otro (cátodo) se produce un defecto de electrones (reducción). Cuando los electrones sobrantes del ánodo pasan al cátodo a través de un conductor externo a la pila se produce una corriente eléctrica. 2. Acumuladores
Es una pila secundaria también llamado batería, consiste dispositivo que almacena energía eléctrica, usando procedimientos electroquímicos y que posteriormente la devuelve casi en su totalidad; este ciclo puede repetirse por un determinado número de veces. Su funcionamiento al igual que el de las pilas está basado esencialmente en una reacción Oxido-Reducción, es decir, un proceso cuyos componentes no resulten consumidos ni se pierdan, sino que meramente cambian su estado de oxidación y, que a su vez pueden retornar a su estado original en las circunstancias adecuadas. Estas circunstancias son, en el caso de los acumuladores, el cierre del circuito externo, durante el proceso de descarga, y la aplicación de una corriente, igualmente externa, durante la carga .
Diferencias entre las baterías de automóviles y celulares
Las baterías de carro contienen una sustancia química el cual mediante la electrolisis genera y almacena corriente continua . En los automóviles se utilizan fundamentalmente los acumuladores de plomo, capaces de transformar la energía eléctrica en química, este fenómeno químico se denomina electrolisis, son de gran tamaño y larga duración; Mientas que las de celulares poseen una elevada densidad de energía, es decir, acumulan mucha mayor carga por unidad de peso y volumen. A igualdad de carga almacenada, son menos pesadas y ocupan menos volumen. Se presentan en placas rectangulares, con menos de 5mm de espesor. Esto las hace especialmente interesantes para integrarlas en dispositivos portátiles que deben tener poco espesor.
Laboratorio 1. Experiencia #1
Se construyó una pila eléctrica con materiales que se pueden obtener fácilmente en casa. a) Materiales
1 placa de cobre y 1 placa de zinc, de tamaño proporcional una a la otra. Recipiente de vidrio con boca ancha. Ácido acético o ácido etanóico, comúnmente conocido como vinagre. Agua. Un Voltímetro.
b) Estructura
c)
Se vertieron dos parte de vinagre y una parte de agua dentro del recipiente de vidrio. Se limpiaron ambas placas, para luego ser sumergidas en el envase con la solución. Se conectó un voltímetro a ambos extremos, con un alcance entre 2 y 3 voltios. Se determinó el signo correspondiente a cada barra. Se midió el voltaje que tenia la pila.
Dibujo
d) Observaciones
Al introducir la barra de zinc en la solución, no se observó ningún cambio; pero al introducir la segunda barra de cobre en pocos minutos se empezaron a notar pequeñas burbujas en la barra de zinc, por lo cual se llego a la conclusión de que estaba ocurriendo una reacción química. Con el voltímetro se determino el signo de cada carga siendo el de cobre positivo y el de zinc negativo, luego se midió su voltaje el cual fue de 0,25V. También se observo que el cobre se aclaró al introducirlo en la solución. Luego al observar otras pilas realizadas en el laboratorio pero en lugar de usar zinc y cobre se uso aluminio y bronce de un tamaño más pequeño, observándose que el voltaje era menor. Por lo que se llego a la conclusión que el tipo de material y el tamaño de las barras influye en el voltaje. 2. Experiencia #2
Se construyó una pila casera con limones y luego se conectaron en serie cuatro limones. a) Materiales
2 barras de zinc y 2 barras de cobre. 4 limones Un voltímetro
b) Estructura
Se tomó uno de los limones y se apretó de tal forma que el zumo del limón quedara libre en su interior. Se introdujeron en el limón una barra de zinc y una de cobre de tal forma que no se toquen en su interior. Se midió la diferencia de potencial con el voltímetro. Luego se conectaron en serie 4 limones. Y se volvió a medir su voltaje.
c)
Dibujo
d) Observaciones
Al introducir las barras dentro del limón, luego de un minuto se midió el voltaje y se obtuvieron 0,6V; llegando a la conclusión de que esta pila produce una diferencia de potencial mayor que la anterior. También se pudo concluir que la reacción que ocurre dentro del limón es la misma que ocurre en la pila anterior. Al conectar los limones en serie y medir su voltaje se obtuvo un voltaje de aproximadamente un voltio, lo que nos llevó a corroborar que al conectar varios elementos en serie su voltaje aumenta.
3. Experiencia #3
Se realizo el mismo procedimiento que con el limón, sólo que esta vez se uso una papa. a) Materiales
Una papa. 1 barra de zinc y 1 de cobre. Un voltímetro.
b) Estructura
Se introdujeron ambas láminas en la papa, de igual modo que se hizo con el limón. Se midió la diferencia de potencial que tenia.
c)
Dibujo
d) Observaciones
Al medir el voltaje del experimento se produjeron 1,5V; lo que nos hizo llegar a la conclusión de que la papa debido al almidón que posee, produce mayor voltaje que todas las pilas realizadas anteriormente pero tiene menor duración.
4. Experiencia #4
Se estudio la asociación de pilas en serie.
a) Materiales
2 pilas alcalinas (AA). Un voltímetro.
b) Estructura
Se identifica la diferencia de potencial de cada pila anotando los valores. Luego se conectaron en serie ambas pilas. Se volvió a medir la diferencia de potencial.
c)
Dibujo
d) Observaciones
Al medir el voltaje de cada pila se obtuvo que la pila uno (P 1) tuvo un valor de 1,5V y la pila dos (P2) también tuvo un valor de 1,5V. Al asociar ambas pilas en serie, se identifico la diferencia de potencial y su valor fue de 3V. Lo que volvió a corroborar que al asociar dos pilas en serie su voltaje aumenta.
Post-Laboratorio
1- Escribe las ventajas e inconvenientes que presenta la asociación de pilas en serie y en paralelo.
Si se asocian las pilas en serie darán un voltaje igual a la suma de cada una de las pilas, sin embargo no se incrementará la potencia. Si son asociadas en paralelo te van a dar únicamente el voltaje menor al de la pila con menos valor, sin embargo proporcionará mas potencia. Las ventajas de este tipo de asociaciones es que se pueden maniobrar las conexiones (serie, paralelo) para obtener el voltaje o corriente deseado, de tal forma que se consiga corriente y con otro voltaje mediante la asociación que se realice.
2- Haz una pequeña reseña histórica de la pila eléctrica 1800 - pila Voltaica 1836 - pila Daniell 1839 - pila Grove 1868 - Pila Leclanché 1870 -pila Clark 1891 - pila Weston
La primera pila eléctrica fue dada a conocer por Volta en 1800, mediante una carta que envió al presidente de la Royal Society londinense. Se trataba de una serie de pares de discos (apilados) de zinc y de cobre (o también de plata), separados unos de otros por tro zos de cartón o de fieltro impregnados de agua o de salmuera, que medían unos 3 cm de diámetro. La pila Daniell, dada a conocer en 1836 y de la que luego se han usado ampliamente determinadas variantes constructivas, está formada por un electrodo de Zinc sumergido en una disolución de sulfato de Zinc y otro electrodo de cobre sumergido en una disolución concentrada de sulfato de cobre. Ambos electrolitos están separados por una pared porosa para evitar su reacción directa. La pila Grove (1839) utiliza como despolarizador el ácido nítrico HNO3. Su fuerza electromotriz es de 1,9 a 2,0 V. Originariamente utilizaba platino para el ánodo, pero Cooper y Bunsen lo sustituyeron luego por carbón; el cátodo era de zinc tratado con mercurio. El mismo Grove en el mismo año elaboró una pila que producía energía eléctrica por medio de la recombinación de hidrógeno y de oxígeno, lo que constituye el precedente de los generadores contemporáneos conocidos como pilas de combustible.
La pila Leclanché, diseñada por Georges Leclanché en 1868, utiliza una solución de cloruro amónico en la que se sumergen electrodos de zinc y de carbón, rodeado éste último por una pasta de dióxido de manganeso y polvo de carbón como despolarizante. Importantes en otro sentido han sido las pilas patrón, destinadas a usos de calibración y determinación de unidades, como la pila Clark (1870), de zinc y mercurio, cuya tensión era de 1,457 V, y la pila Weston (1891), de cadmio y mercurio, con 1,018 V. Estas tensiones se miden en vacío, es decir, sin tener ninguna carga externa conectada, y a una temperatura constante de 20º C. 3- Investiga y explica en que consiste la polarización También llamada densidad de polarización es el campo vectorial que expresa la densidad de los momentos eléctricos dipolares permanentes o inducidos en un material dieléctrico. El vector de polarización P se define como el momento dipolar por unidad de volumen. La unidad de medida en el SI es coulomb por metro cuadrado. La polarización eléctrica es uno de los tres campos eléctricos macroscópicos que describen el comportamiento de los materiales. 4- ¿Por qué una pila debe tener una resistencia interna pequeña? Porque si no fuera así, no tuvieran suficiente intensidad para el funcionamiento de algunos aparatos; Puesto que a menor resistencia mayor intensidad. 5- ¿Qué le sucede a una pila cuando su resistencia es excesivamente grande? Si su resistencia fuese excesivamente grande, la intensidad de esta estaría limitada, por lo que la mayoría de aparatos que consuman una cantidad considerable de amperios no funcionarían. 6- Bajo ciertas condiciones de funcionamiento. ¿Qué magnitud permanece constante en una pila? La tensión producida por una pila es constante y al aplicarla sobre un circuito eléctrico produce una corriente continua. 7- Explica el funcionamiento de una bacteria de carro Se trata de una batería de celdas de plomo, por electrólisis el ácido ataca a los electrodos de cada celda y provoca una diferencia de potencial llamado voltaje, cada voltaje se suma al de otra celda hasta dar 12 V. Cuando el coche se arranca, se dejan las luces o el radio el potencial químico se pierde como cuando se agota una batería, un circuito que mueve el motor del carro llamado generador se encarga de recargar las celdas como cualquier pila recargable. El potencial eléctrico del generador acumula potencial químico de
nuevo en las celdas de plomo, este proceso se repite hasta que la vida útil de la batería llega a su fin. Las baterías recargan sus electricidad por medio del alternador que funciona con una polea que va a la banda, al girar esa polea hace funcionar el alternador y el alternador vuelve a recargar la batería. 8-
Explica como funciona una linterna Cuando se activa el switch de la linterna a ‘Encendido’ hace contacto entre dos
puntos que inicia un flujo de electricidad generado por la pila. Las pilas están conectadas de manera que la electricidad (flujo de electrones) fluya de los electrodos positivos a los negativos de la pila. Las pilas se posan sobre un pequeño resorte que hace de contacto. La cinta de contacto va a lo largo de la linterna y hace contacto con un lado del switch. Hay otro contacto chato del otro lado del switch que se conecta con el foco haciendo la conexión eléctrica. Hay una parte más que se conecta con el foco y hace contacto con el electrodo positivo en la parte superior de la pila completando así el circuito y la generación eléctrica. Activado por la electricidad, el filamento de tungsteno o LED en el foco brilla produciendo luz visible. Esta luz se refleja en el reflector alrededor del foco. El reflector direcciona la luz creando un haz parejo. Ésta es la luz que se ve de la linterna. Una lente cubre la lámpara para proteger el foco. Cuando el switch se posiciona en ‘Apagado’ los puntos de contacto son físicamente separados y el puente de corriente eléctrica se corta terminando con la producción de luz y apagando la linterna. 9- investigar la diferencia entre una pila seca y una pila húmeda. La pila seca esta formada por celdas electrolíticas galvánicas con electrolitos pastosos. Una pila seca común es la pila de zinc-carbono, que usa una célula llamada a veces célula Leclanché seca, con un voltaje nominal de 1,5 voltios, el mismo que el de las pilas alcalinas (debido a que ambas usan la misma combinación zinc-dióxido de manganeso). Suelen conectarse varias células en serie dentro de una misma carcasa o compartimento para formar una pila de mayor voltaje que el provisto por una sola. Una pila seca muy conocida es la «pila de transistor» de 9 voltios (pila PP3), constituida internamente por un conjunto estándar de seis células de zinc-carbono o alcalinas, o bien por tres células de litio, mientras que la pila Húmeda esta formada por células con un electrolito líquido, como las baterías de plomo y ácido de la mayoría de automóviles.
10- Haz un diagrama donde se muestre un circuito donde hayan dos pilas conectadas en paralelo además de un voltímetro y un amperímetro.
Bibliografía
Brett C, Eli (2010) [Fuente bibliográfica] Labescuela (2008) [Fuente en línea] http://www.oaq.uba.ar/Labescuela/Exp7alu.htm Camero y Crespo (2001) [Fuente Bibliográfica] Wikipedia (2012) [Fuente en línea] http://es.wikipedia.org/wiki/Pila_(electricidad) / http://es.wikipedia.org/wiki/Acumulador_el%C 3%A9ctrico
