Pilas

Introducción

Una pila eléctrica convierte energía química en energía eléctrica por un proceso de transformación química. Está basado en un proceso reversible llamado reducción-oxidación o redox en el cual uno de los componentes pierde electrones y el otro gana electrones. Las baterías desechables tienen dos terminales, uno negativo en donde existe una gran cantidad de electrones y una positiva en donde hay  una ausencia de electrones. Cada una de estas terminales está hecha de algún metal. Por ejemplo, de zinc-carbón, la terminal de zinc tiene una carga negativa y atrae a los electrones y la terminal de carbón es la positiva. Si la batería alimenta un circuito, hará que una corriente de electrones se mueva de la terminal negativa hacia la positiva y así produciendo una corriente eléctrica y una reacción química. Debido a esta reacción química, el zinc se oxida y por eso estas pilas tienen una vida limitada. La pila recargable hace una reacción química que permite que se la corriente eléctrica se vuelva a transformar en energía otra vez. En otras palabras los componentes no se consumen ni se pierden solo cambian su estado de oxidación y pueden regresar a su estado original, aun que cada vez que la vuelves a cargar la pila durará menos tiempo. Si se gastan pero se pueden utilizar más de una vez.

Las pilas se pueden dividir en dos grupos, las pilas primarias o pilas secundarias. Una pila primaria es la que logra producir energía por medio del consumo de algún químico que contenga. Cuando este químico se acaba, la pila ya no sirve y debe de ser reemplazada. Las pilas secundarias producen energía transformando un químico que contenga a otro químico. Cuando transforma el químico a otro químico por completo la pila ya no funciona pero puede ser recargada, en donde manda una corriente eléctrica a otra fuente a través de ella para así poder volver a los químicos a su estado original.

Tipos de Pilas

Pilas Primarias:

·         Pilas Salinas, Tipo Leclanché o de zinc/carbono

En esta pila el electrodo positivo es de carbón y el negativo de zinc. El electrolito es un producto químico llamado cloruro de amonio que también se llama sal de amoniaco. El electrodo de la pila es la forma del recipiente y contiene la totalidad de la pila. El elemento positivo tiene la forma de una varilla de carbón y se encuentra en el centro de la pila. El electrolito está mezclado con almidón o con harina formando una pasta. La pila seca realmente no es seca, pero cuando el electrolito se seca la pila deja de funcionar. Estas pilas son las de uso común para aparatos sencillos y de poco consumo y son relativamente poco peligrosas para el medio ambiente. Estas pilas son las más económicas que hay en el mercado.

·         Pilas alcalinas o de dióxido de zinc-magnesio

Estas pilas son las A, AA, AAA que se encuentran en el mercado que son utilizadas para linternas, juguetes, walkmans, etc.  El electrolito es hidróxido de potasio que hace que la pila dure seis veces más que la pila de zinc-carbono. Son de larga duración, pueden durar entre 3 y 10 veces más que las pilas salinas. Son pilas toxicas porque contienen 0.025% de mercurio.

·         Pilas de mercurio con oxido-zinc

Estas son pilas utilizadas en equipos especiales como las cámaras fotográficas o relojes y son de formato botón. La pila consiste en un electrodo negativo de zinc y un electrodo positivo de oxido de mercurio y grafito contenidos en un envase de acero. El electrolito es una solución de hidróxido de potasio y oxido de zinc.

·         Pilas de plata con oxido-zinc

Esta pila es tipo alcalina que puede soportar altas cargas y casi siempre da 1.5 volts. Es tipo botón que es usada para relojes y también en algunos torpedos de uso militar. Tiene un cátodo de oxido de plata y un ánodo de polvo de zinc. Es altamente toxica porque contiene 1% de mercurio.

·         Pilas de litio

Estas pilas se utilizan en la aeronáutica, para marcapasos y en cámaras automáticas.  Tienen una alta actividad química, producen tres veces más energía que las pilas alcalinas considerando tamaños equivalentes.

Pilas Secundarias:

·         Pilas de hidróxido níquel-cadmio

Son las pilas recargables utilizadas en teléfonos celulares, computadoras, cámaras, etc. Están basadas en un sistema formado de hidróxido de níquel, hidróxido de potasio, y cadmio metálico. Dan corrientes bastante altas, pueden ser rápidamente cargadas (de10 a 14 horas) hasta 500 veces, alcanzan durar decenas de años y son tolerantes al abuso de sobrecarga pero si tiene una auto-descarga por mes de 30%. Funcionan mejor si son dejadas a descargarse completamente antes de cargarse nuevamente, sino pueden empezar a durar menos su energía. Se comportan bien bajo temperaturas frías. Son altamente tóxicos ya que contienen dos minerales muy contaminantes; níquel y cadmio.

·         Pila de acido-plomo

Estas son las baterías que se utilizan en los automotores. Es la pila recargable más usada en el mundo ya que se pueden recargar hasta mil veces en un tiempo de 8 a 16 horas pero tiene una auto-descarga por mes de 5%. La pila de plomo-ácido tiene una densidad energética de 20 veces mayor que la de las pilas de níquel-cadmio o níquel-hierro. La mayoría son construidas de planchas de plomo o celdas, donde una de estas, el electrodo positivo, está cubierto con dióxido de plomo en una forma cristalina entre otros aditivos. El electrolito está compuesto de ácido sulfúrico, y este participa en las reacciones con los electrodos donde sulfato de plomo es formado y lleva corriente en forma de iones.

·         Pilas secundarias de litio

Este tipo de pila es utilizada en  productos electrónicos portátiles pero también están entrando a la industria automovilística, aeronáutica y militar. Su tecnología se basa en un ánodo de grafito y un cátodo de óxido de cobalto, trifilina u óxido de manganeso. Esta pila se puede recargar hasta 5000 veces y se tarda aproximadamente dos horas en recargarse. Se auto descarga por mes entre 25 a 10%.

·         Pilas secundarias de sodio-sulfuro

Esta tecnología que aun esta en investigación, funciona alrededor de 350°C. Aun se deben resolver bastantes problemas con respeto a su estabilidad, especialmente cuando se toma en cuenta que necesita ser enfriada y calentada entre usos. La batería tiene un electrolito sólido como membrana entre el catado y el ánodo. Tiene una configuración cilíndrica de altura y toda la célula está rodeada por una carcasa de acero que está protegido por cromo y molibdeno, de la corrosión en el interior. Este contenedor exterior sirve como electrodo positivo, mientras que el sodio líquido actúa como electrodo negativo. The container is sealed at the top with an airtight alumina lid. El envase es sellado en la parte superior con una tapa de aluminio. La célula se vuelve más económica con el aumento de tamaño. In commercial applications the cells are arranged in blocks for better conservation of heat and are encased in a vacuum-insulated box. Estas pilas son utilizadas para apoyar a la red eléctrica, aplicaciones espaciales y para el transporte y maquinaria pesada.

Daños al Medio Ambiente

Si calculamos la cantidad de pilas que cada habitante en el mundo usa en su vida, nos damos cuenta de la cantidad de mercurio que le estamos echando a la tierra. Lo que contamina el medio ambiente es cuando se descompone la capa protectora que recubre las pilas y se liberan los metales que contienen.
A la hora de analizar el nivel de contaminación de una pila, hay que tener en cuenta sus componentes -litio, cadmio, mercurio-, el tiempo de duración y los impactos ambientales que produce su fabricación. Se debe de analizar el ciclo de vida que implica pensar no solamente en el producto y el residuo que genera una vez utilizado, sino en todos los residuos que generó y la energía que consumió en su proceso de fabricación. Según estudios especializados, una pila de mercurio puede contaminar 600,000 litros de agua, una de zinc-aire12, 000 litros, una de óxido de plata 14,000 litros y una pila común 3,000 litros. Se dice que en las últimas cuatro décadas, 145,917 toneladas de manganeso utilizado en pilas alcalinas ha sido liberado al medio ambiente. En España los consumidores consumen aproximadamente 322 millones de pilas al ano. La fabricación de una pila consume 50 veces más energía que genera una pila. 

El mercurio puede provocar daños cerebrales. En los riñones y en la función motor del cuerpo humano. El níquel puede destruir los tejidos de las membranas nasales y el cadmio es un mineral cancerígeno y también causa trastornos en el aparto digestivo. Las personas embarazadas no deben de entrar en contacto con estos.

Motores

Funcionamiento de un Motor

Un motor eléctrico transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de interacciones electromagnéticas. Son muy utilizados en instalaciones industriales, comerciales y particulares. Pueden funcionar conectados a una red de suministro eléctrico o a baterías.

Los motores de corriente alterna y los de corriente continua se basan en el mismo principio de funcionamiento: si un conductor por el que circula una corriente eléctrica se encuentra dentro de la acción de un campo magnético, éste tiende a desplazarse perpendicularmente a las líneas de acción del campo magnético.

El conductor tiende a funcionar como un electroimán debido a la corriente eléctrica que circula adquiriendo propiedades magnéticas que provocan el movimiento circular que se observa en el rotor del motor.

Partiendo del hecho de que cuando pasa corriente por un conductor produce un campo magnético, además si lo ponemos dentro de la acción de un campo magnético potente, el producto de la interacción de ambos campos magnéticos hace que el conductor tienda a desplazarse produciendo así la energía mecánica.

Motores de corriente directa

Los motores de corriente continua o directa se clasifican según la forma como estén conectados, en:

Motor serie – este tipo de motor tiene el inducido y el devanado inductor o de excitación van conectados en serie. Su potencia es casi constante a cualquier velocidad y le afectan poco las variaciones bruscas de la tensión de alimentación.

Motor compound – este motor funciona con dos bobinados inductores independientes; uno dispuesto en serie con el bobinado inducido y otro conectado en derivación con el circuito formado por los bobinados. Consiste de pocas vueltas de un alambre grueso y es conectado en serie con la armadura y lleva la corriente de armadura.

Motor shunt – el motor shunt tiene un bobinado inductor principal conectado en paralelo con el circuito formado por los bobinados inducido e inductor auxiliar. Son muy utilizados en aplicaciones en donde se necesita velocidad constante o en un rango fijo de velocidades.

Motor eléctrico sin escobillas – es un motor que no utiliza escobillas para cambiar la polaridad en el rotor. Estos motores se usan en lectores de CD-ROM, ventiladoras de computadoras y en aparatos electrónicos de baja potencia.

Motores de corriente alterna

Los motores de C.A. se clasifican de la siguiente manera:

Asíncrono o de inducción - Los motores asíncronos o de inducción son aquellos motores eléctricos en los que el rotor nunca llega a girar en la misma frecuencia con la que lo hace el campo magnético del estator.

Jaula de ardilla - Un rotor de jaula de ardilla es la parte que rota usada comúnmente en un motor de inducción de corriente alterna. Es un cilindro montado en un eje que internamente contiene barras conductoras longitudinales de aluminio o de cobre y conectados juntos en ambos extremos poniendo en cortocircuito los anillos que forman la jaula. El nombre se deriva de la semejanza entre esta jaula y la rueda de un hámster.

Monofásicos - Puede ser un motor de arranque a resistencia con dos bobinas una de arranque y una bobina de trabajo.

También puede ser un motor de arranque a condensador. Este tiene un capacitor electrolítico en serie con la bobina de arranque la cual proporciona más fuerza al momento de la marcha y se puede colocar otra en paralelo la cual permite que el motor entregue toda la potencia.

Motor universal - En este tipo de motores y en condiciones normales, el rotor gira a las mismas revoluciones que lo hace el campo magnético. Los motores universales trabajan con voltajes de corriente continua o corriente alterna. Se utiliza en sierra eléctrica, taladro, utensilios de cocina, ventiladores, sopladores, batidoras y otras aplicaciones donde se requiere gran velocidad con cargas débiles o pequeñas fuerzas.

Trifásicos - La mayoría de los motores trifásicos consumen lo mismo en las tres fases, cuando estén conectados en estrella o en triángulo. Las tensiones en cada fase en este caso son iguales al resultado de dividir la tensión de línea por raíz de tres.

Motor de rotor devanado - El rotor devanado o bobinado lleva unas bobinas que se conectan a unos anillos deslizantes colocados en el eje; por medio de unas escobillas se conecta el rotor a unas resistencias que se pueden variar hasta poner el rotor en corto circuito al igual que el eje de jaula de ardilla.

Usos

Los motores eléctricos se utilizan en la mayoría de las máquinas modernas. Su reducido tamaño permite introducir motores potentes en máquinas de pequeño tamaño, por ejemplo taladros o batidoras pero también en objetos grandes como maquinaria industrial y barcos.

Motor Reductor

Los motores reductores son un sistema de engranajes que permiten que los motores eléctricos funcionen a diferentes velocidades. En otras palabras estos motores reducen la velocidad de una maquina ya que no todas las maquinas funcionan de acuerdo con las velocidades que ofrecen el motor.  El motor reductor permite el mejor o eficiente funcionamiento de las maquinas, agregándole por otro lado potencia y fuerza.

Diferencia:

	Servomotor	Motor Paso a Paso	Motores DC
Funcionamiento	Tiene algunos circuitos de control y un potenciómetro conectada al eje que permite una rotación.  Si el eje está en el ángulo correcto, entonces el motor está apagado, si no el motor girará hasta encontrarlo. Puede llegar alrededor de 180 grados.	Convierte una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos	Convierte energía eléctrica a mecánica mediante el movimiento rotatorio. Contiene un estator que da soporte mecánico y tiene un hueco en el centro. En el estator están  los polos, El rotor es cilíndrico al que llega la corriente mediante dos escobillas.
Uso	Radio control y robótica	Aparatos que requieren movimientos precisos como plotters, relojes, e impresoras	Robots espaciales, asientos de aviones, equipamientos médicos
Diferenciación	Capacidad de ubicarse en cualquier posición dentro de rango de operación y mantenerse estable	Alta precisión y repetitividad en cuanto al posicionamiento pero presenta mucha vibración	Fácil control de posición, paro y velocidad y tiene la posibilidad de regular la velocidad desde vacío a plena carga
Fuerza	3kg por cm de torque (bastante fuerte para su tamaño)	Bajo torque (no tan fuerte)
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