Baterías

Células eléctricas

Una pila eléctrica es un objeto que almacena energía química. Esto puede hacerse de numerosas maneras, ninguna de las cuales es importante comprender para entender el comportamiento eléctrico de las células. Basta con saber que alguna interacción química hace que la célula tenga una diferencia de potencial eléctrico (diferencia de potencial o tensión) entre dos puntos de la pila, que llamamos sus polos. El polo positivo se define como el polo por el que se repelen las cargas positivas, y el polo negativo es el polo que no es el polo positivo.

Definición de pila

La definición de pila se basa totalmente en la de célula eléctrica. En general, una pila es cualquier sistema de una o más celdas unidas en una combinación de uniones en paralelo y en serie, pero al nivel de este artículo, la siguiente definición es adecuada.

Como resultado, una pila tiene un polo positivo y un polo negativo, y la diferencia de potencial de una pila es la suma de las diferencias de potencial de las celdas individuales dentro de la pila, dado que las celdas están unidas mirando en la misma dirección (lo que significa que el extremo negativo de una celda está conectado a la celda positiva de otra celda).

Pilas con indicación del polo positivo mediante un signo +.

¿Cómo funcionan las pilas?

Las pilas contienen celdas que contienen energía química, lo que provoca una tensión entre sus polos. Si colocamos una partícula con carga positiva cerca del polo positivo de una pila, la tensión la empujará hacia el polo negativo de la pila (véase la figura siguiente). Esto significa que la pila realiza un trabajo sobre la partícula (porque ejerce una fuerza a lo largo de una distancia), por lo que la pila pierde energía en este proceso. Esta energía procedía de la energía química del interior de la pila: la pila convertía su energía química en trabajo. Por tanto, después de este proceso, la pila contiene menos energía química.

Una batería ejerce una fuerza sobre una carga positiva, empujándola del polo positivo al polo negativo en el proceso, StudySmarter Originals.

Propiedades de las baterías

El diseño químico y la composición de una batería determinarán cuánta energía química contiene y, por tanto, cuánta energía eléctrica puede proporcionar. También determinará la diferencia de potencial entre los polos de la pila.

Recuerda que la tensión determina cuánta energía gana una unidad de carga al atravesar la diferencia de tensión. El trabajo$W$realizado sobre una partícula con carga$q$que atraviesa una tensión$V$viene dado por el producto de la carga y la tensión,

$W=qV$

(porque la tensión es la energía obtenida dividida por la carga de una partícula). Por tanto, una pila con un voltaje más alto ejercerá una fuerza mayor sobre una carga que una pila con un voltaje más bajo sobre la misma carga.

La capacidad de la pila es la carga total que puede desplazar de un polo a otro. Se mide en unidades SI en$\mathrm{C}$(culombio), pero comúnmente se mide en$\mathrm{Ah}$(amperios-hora). La energía química total$E$es la cantidad total de trabajo que puede realizar la pila (suponiendo una eficiencia del 100% para simplificar), por lo que la carga total$Q$que la pila puede desplazar de un polo al otro viene dada por

$Q=E/V$.

En resumen, las pilas tienen propiedades como la capacidad de la pila, el voltaje y la capacidad energética.

Símbolo de batería en física

En física y electrotecnia, existen símbolos para cada elemento de un circuito eléctrico, y las pilas y baterías no son una excepción. En la siguiente figura se muestran los símbolos de una célula eléctrica y una pila.

Arriba está el símbolo de una célula eléctrica, y abajo el de una pila, Wikimedia Commons.

Vemos que el símbolo de una pila es una representación gráfica de lo que es una pila, es decir, un par de células eléctricas unidas en serie.

Funciones y ejemplos de pilas

Las pilas se utilizan habitualmente en aparatos eléctricos, ejemplos de los cuales son los teléfonos, los relojes digitales, los ordenadores portátiles y los coches. En todos estos ejemplos, la función de una pila es proporcionar energía eléctrica a un sistema. La finalidad de esta energía difiere de un caso a otro. En los teléfonos, relojes y ordenadores portátiles, esta energía se utiliza principalmente para hacer funcionar el sistema y hacer que se ilumine una pantalla, mientras que en los coches, esta energía se utiliza para alimentar el motor de arranque, los faros y los intermitentes, entre otras cosas. En los vehículos eléctricos, la energía de la batería se utiliza principalmente para alimentar los motores eléctricos que hacen que el coche se mueva: éste es un ejemplo en el que la energía de la batería se convierte principalmente en energía cinética.

Tipos de pilas

La energía química de una pila puede proceder de una gran variedad de composiciones químicas, y la transferencia de energía química a energía eléctrica puede producirse mediante muchas reacciones químicas o físicas diferentes dentro de la pila. Esto significa que hay muchos tipos diferentes de pilas.