Pila eléctrica

Una pila eléctrica convierte en corriente continua las reacciones químicas que se producen en dos electrodos separados por un electrolito, un medio que conduce iones. La pila de cinc, cobre y salmuera de Alessandro Volta, de 1800, fue la primera, y todas las pilas y baterías posteriores, desde el frasco del telégrafo hasta la batería de litio del teléfono, funcionan según el mismo principio.

Qué es

Una pila almacena energía en forma química y la devuelve como corriente eléctrica cuando un circuito con una lámpara u otra carga une sus dos bornes. La unidad básica se llama elemento. En tiempos de Volta, «batería» designaba varios elementos unidos, como la columna, o «pila», que él montó en 1800; hoy la palabra se usa también para un solo elemento.

Antes de la pila, la electricidad solo se obtenía en chispas breves; la pila daba una corriente que duraba horas.

Cómo funciona

Cada elemento tiene un disco de cinc, otro de cobre y, entre ambos, una rodaja de cartón o paño empapada en agua salada. El cinc cede electrones más fácilmente que el cobre: sus átomos pasan a la salmuera como iones y dejan sus electrones en el disco. En el cobre, una reacción vuelve a captar electrones, gastando el oxígeno disuelto en la salmuera o liberando hidrógeno. Cuando un circuito exterior une los dos extremos, los electrones circulan por él del cinc al cobre, y los iones que atraviesan la capa húmeda cierran el circuito.

En la pila Daniell se deposita cobre en la pared del recipiente en lugar de hidrógeno, y la tensión se mantiene estable.

Un par cinc-cobre en salmuera da algo menos de un voltio. Veinte pares en serie suman sus tensiones, lo bastante para notar un hormigueo en los dedos mojados: así comprobaba Volta sus pilas. La intensidad depende de la superficie de los discos y de la velocidad de la reacción.

Mientras la pila trabaja, el oxígeno disuelto junto al cobre se agota y unas burbujas de hidrógeno empiezan a cubrirlo, de modo que la corriente baja. Además, el peso de la columna exprime la salmuera de las capas bajas, y el cinc se corroe. En 1836 John Frederic Daniell dio a cada metal su propio líquido: el cinc en una disolución, el cobre en sulfato de cobre, separados por una barrera porosa. Se deposita cobre en vez de hidrógeno, y el elemento mantiene unos 1,1 voltios mucho tiempo.

En un elemento recargable, una corriente en sentido contrario invierte la reacción.

Cómo construirla

Una pila pequeña da poca tensión y poca corriente, pero muestra bien el principio.

Hacen falta de quince a veinte discos de cobre (valen monedas viejas de cobre), otros tantos de cinc (chapa de cinc o arandelas galvanizadas), papel secante o cartón algo más pequeño, sal, agua, dos cables aislados y, a ser posible, un voltímetro.

Limpiar el metal. Frotar cada disco de cobre con lija fina hasta que brille.

Empapar los separadores. Disolver dos cucharadas colmadas de sal en un vaso de agua y sumergir el cartón. Escurrir cada rodaja hasta que quede húmeda sin gotear: la salmuera que resbala por la columna pone los elementos en cortocircuito.

Apilar siempre en el mismo orden. Cobre, separador húmedo, cinc, y repetir en ese orden hasta arriba. No invertirlo nunca a mitad de columna ni dejar que los dos metales de un elemento se toquen por el borde del separador.

Sujetar la columna. Tres varillas de madera o vidrio fijadas a una base la mantienen recta sin aplastarla.

Conectar y medir. Fijar un cable al cobre de abajo y otro al cinc de arriba. Cada elemento da algo menos de un voltio. Un LED rojo necesita unos dos voltios y muy poca corriente: conectar la pata larga al extremo de cobre y la corta al de cinc, y probarlo solo con cuatro o cinco elementos, con los que debería brillar débilmente. Conectado al revés a más elementos, un LED puede estropearse. Cuando los separadores se sequen al cabo de unas horas, desmontar la pila y lavar y secar los discos.

Seguridad. La pila en sí es de baja tensión, pero un cortocircuito en una batería potente calienta los cables hasta quemar la piel y fundir el aislante: no unir nunca los bornes directamente. No conectar nunca una pila o batería a la red eléctrica ni intentar cargarla en un enchufe de pared. No abrir baterías comerciales: las de plomo contienen ácido sulfúrico, que quema la piel y los ojos, y desprenden hidrógeno explosivo durante la carga; los elementos de litio pueden incendiarse si se perforan, se aplastan o se cortocircuitan. El sulfato de cobre y las sales de cinc son tóxicos: usar guantes y gafas de protección, lavarse las manos y guardar el material fuera del alcance de los niños.

Historia y evolución

Las patas de rana de Galvani se contraían cada vez que un arco de dos metales unía nervio y músculo.

En la década de 1780, el anatomista boloñés Luigi Galvani vio contraerse unas patas de rana disecadas al tocar a la vez dos metales distintos. En 1791 publicó su teoría de la «electricidad animal». Alessandro Volta, profesor de física en Pavía, sostenía que la electricidad venía de los metales y que la rana solo la detectaba, y quiso probarlo sin animal.

Primero unió copas de salmuera con láminas de metal y luego construyó la pila. El 20 de marzo de 1800 describió ambos dispositivos en una carta en francés a sir Joseph Banks, presidente de la Royal Society de Londres, que la publicó ese año con un grabado de la pila: la primera imagen impresa de una batería.

Semanas después, William Nicholson y Anthony Carlisle descompusieron el agua en hidrógeno y oxígeno con una pila, y años más tarde Humphry Davy aisló el sodio y el potasio con grandes baterías. Napoleón vio una demostración de Volta en París en 1801 y lo recompensó; el voltio, unidad de potencial eléctrico, lleva su nombre.

La espiral de plomo de Planté, sumergida en ácido diluido, podía cargarse y descargarse una y otra vez.

Las líneas telegráficas necesitaban una corriente constante, y la pila Daniell se la dio. En 1859 Gaston Planté enrolló en espiral dos láminas de plomo con un separador y las sumergió en ácido sulfúrico diluido. Johann Ritter había mostrado una pila de carga experimental en 1803, pero la de Planté fue la primera batería recargable práctica. Mejorado por Camille Faure en 1881, el acumulador de plomo sigue arrancando la mayoría de los coches.

En 1866 Georges Leclanché montó un elemento con una barra de cinc y otra de carbono rodeada de dióxido de manganeso y una disolución de cloruro de amonio; en 1868 ya funcionaban veinte mil en el telégrafo. Al espesar el líquido hasta formar una pasta nació la pila seca, que alimentó las primeras linternas de bolsillo y las radios de la década de 1920. Las primeras pilas alcalinas cilíndricas comerciales llegaron en 1959, y las baterías de iones de litio, a principios de la década de 1990.