Samama, has descubierto una idea errónea que promueven los libros infantiles. Enseñan que las pilas son una especie de condensador extraño, con corriente cero en el electrolito. Nos dicen que una de las placas de la pila suministra electrones y la otra es un almacén de electrones "usados".
Eso es una completa tontería.
De hecho, el camino de la corriente eléctrica es a través de la batería, a través del electrolito y luego volver a salir. Por cada trozo de carga que sale de un terminal de la batería, siempre debe fluir una carga igual a través de la batería, y también debe fluir una carga igual hacia el otro terminal. Una batería es un buen conductor; un cortocircuito. La carga total dentro de una batería nunca cambia. (Cuando una batería se "descarga", pierde combustible químico, no carga).
En otras palabras, las baterías son bombas de carga. No son fuentes de carga eléctrica, igual que una bomba de agua puede crear agua o almacenarla.
¿Corren los electrones por el electrolito? No necesariamente, y ahora también has descubierto por qué usamos "amperios" o "corriente convencional". La corriente eléctrica no está hecha de electrones. En cambio, está hecha de iones positivos, iones negativos, protones y, sí, electrones. El tipo de cargas que fluyen depende del tipo de conductor. Para ocultar toda esta complejidad, ignoramos el flujo real de cargas y nos limitamos a mirar los amperios. Los protones fluyen en la misma dirección que los amperios, y los electrones fluyen hacia atrás. Oculta los protones, oculta los electrones... y ahora estás pensando como un ingeniero eléctrico o un físico. Pero si quieres entender las baterías, necesitas el punto de vista del químico y del físico.
En muchas baterías, los electrones fluyen en las partes metálicas, ¡pero sólo los protones fluyen en el electrolito! El flujo de protones es una corriente eléctrica perfectamente válida, e incluso puede ser una corriente enorme (por ejemplo, en las baterías de los coches, se producen cientos de amperios de flujo de protones allí dentro).
He aquí una visión simplificada: durante una corriente eléctrica en un circuito, los amperios dentro del electrolito de la batería están hechos en realidad de protones que fluyen hacia atrás. En el electrodo negativo, violentas reacciones químicas desgarran el agua en átomos individuales. El gas oxígeno se libera, pero los átomos de hidrógeno tienen cada uno un electrón arrancado, y estos electrones son empujados hacia la superficie metálica, cargándola en negativo. Los átomos de hidrógeno han perdido su electrón, por lo que se han convertido en iones de hidrógeno positivos +H. El electrolito es un buen conductor, y todos los iones de hidrógeno +H son atraídos hacia la otra placa distante. Luego, en la otra placa, los iones de hidrógeno +H se combinan con los electrones de la superficie del metal. Se gasta algo de energía y se produce gas hidrógeno neutro. Y en total, si hay un amperio en los hilos metálicos, debe haber un amperio de flujo de iones en el electrolito.
Lo anterior es una descripción de las pilas de combustible, y también de las baterías de plomo-ácido. En ellas, la corriente eléctrica en el electrolito es un flujo de protones. (Los iones positivos +H tienen otro nombre: PROTON).
Si, en cambio, quieres evitar esta deriva de carga hacia atrás, con todas las cargas que se cancelan y la división del agua, sólo tienes que mirar las pilas alcalinas. En ellas, los iones móviles son iones -OH, no protones positivos. Podemos verlos como electrones que se suben a un trozo de molécula de agua. En ese caso, todo el circuito eléctrico es un flujo de carga negativa, incluida la corriente en el agua entre las placas. (Pero esa no es una regla universal, y otras baterías tienen flujos de protones en su lugar. O, si se hace una batería simple usando agua salada, entonces se tienen dos flujos opuestos en el electrolito, los iones positivos +Na pasando por los iones -Cl, ambos al mismo tiempo).
Pero, ¿por qué deben fluir las cargas?
En otras palabras, ¿por qué las pilas tienen un voltaje? Ah, esa explicación viene de la química. Sucede porque la reacción en la placa negativa es violenta, energética, exotérmica y espontánea. Mete un poco de metal en el agua y el agua ataca. Esta reacción es la fuente de energía de la pila.
Las baterías son algo así como el fuego: "queman" algunos productos químicos combustibles, bombeando una corriente eléctrica que puede impulsar un dispositivo externo, y dejando atrás algunos productos de desecho. Cada batería es como una pequeña central eléctrica, con llamas y una caldera y algunos imanes giratorios con bobinas. Bueno, no exactamente. Las baterías son más bien pequeñas máquinas de VandeGraaff, son bombas de carga mecánicas impulsadas por una química exotérmica espontánea. En el terminal negativo, las reacciones que producen energía obligan a las cargas eléctricas a moverse a través de la región de contacto entre el metal y el agua. (En lugar de ser exotérmica, la mayor parte de la energía de las reacciones químicas está terminando como electromagnetismo, como energía almacenada en campos electrónicos).
Es casi mágico, porque si el circuito externo se rompe, ¡¡¡las reacciones espontáneas violentas se detienen!!! Es como tener una central eléctrica en la que, si se rompen las conexiones eléctricas, todo se detiene al instante, y el combustible deja de quemarse. Aún más mágico: si obligamos a las cargas a fluir hacia atrás a través de la planta de energía, los productos químicos de desecho se vuelven a convertir en combustible. (Por ejemplo, en una pila de combustible, el agua se desprende, formando hidrógeno y oxígeno).
Si quieres adentrarte en la ciencia de las baterías, algunas palabras clave que debes seguir son: "Doble capa de Helmholtz". Ahí es donde ocurre toda la magia, en una capa muy fina donde el agua toca el electrodo negativo de la batería. Busca también "Mecanismo de Grotthuss", que es el fenómeno poco discutido en el que los protones fluyen a través del agua como una corriente eléctrica. (¡Eh, todos los libros de texto de la escuela primaria deberían enseñarnos el efecto Grotthuss! En lugar de ello, pretenden que el agua salada dentro de las baterías es un aislante).
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¿Cómo definimos "batería"? Si tenemos una caja negra con un condensador dentro, ¿es una batería? ¿Y una pila de combustible? ¿O dentro de la caja negra tenemos un generador de Van der Graaf impulsado por algunas sustancias químicas que podemos añadir/reemplazar continuamente para que siga funcionando indefinidamente?