Este cuarto capítulo es uno de los que más orgulloso me siento. Entender un proceso como el de la generación de la electricidad me resultó tremendamente esclarecedor en su día. ¿Sabes tú cómo es este proceso y cómo una cosa tan pequeña como una pila puede tener tanta "magia" dentro? ...capítulo 4: la pila.
Bueno. Ahora ya sabes más o menos cómo se genera la electricidad. En realidad, te he hablado de qué es lo que la genera. Los electrones libres que existen en materiales como el cobre, la plata, el oro o el aluminio, que en cuanto aplicamos una carga positiva suficientemente alta, salen de sus átomos y se mueven. Pero… ¿qué es esta carga positiva que vamos a aplicar a los metales para provocar la corriente? ¿Cómo forzamos que los electrones empiecen a saltar de un átomo hacia otro?
Decíamos al terminar el capítulo anterior, que este mecanismo capaz de arrancar el flujo de los electrones es lo que se denomina generador. Generador viene de generar. De crear. Pero la realidad es que un generador, no genera nada. La verdad del barquero es que nada genera energía, porque como dice el Principio de Conservación de la Energía, ésta “no se crea ni se destruye, sólo se transforma". Por lo tanto, un generador eléctrico no es un aparato que “genera” energía. Un generador es un aparato capaz de convertir energía de un tipo determinado en energía eléctrica. Cuando andamos o corremos (ahora que está tan de moda esto de correr sin que te persiga nadie) estamos convirtiendo energía calorífica contenida en nuestro cuerpo en energía cinética. Perdemos calorías. Quemamos calorías. Las convertimos en movimiento. Otro ejemplo de transformación energética sería una bombilla, que convierte energía eléctrica en energía luminosa (y calorífica si es una bombilla de las antiguas). Hay muchos más ejemplos que seguro que se te están pasando ahora por la cabeza. Por ejemplo, te sonarán los generadores hidroeléctricos, que son un tipo de generadores que transforman en energía eléctrica la fuerza motriz generada por las caídas de agua de los embalses. Otras variantes son los aerogeneradores que vemos en la carretera, capaces de transformar la energía eólica, o más vulgarmente la fuerza del viento, en energía eléctrica. O las placas solares que son capaces de hacer que la energía lumínica procedente del sol se transforme también en energía eléctrica. Pues bien. Uno de estos generadores, es la pila o batería, que es capaz de transformar energía química en energía eléctrica. Eléctrica de “electricidad”. Por si te habías perdido ya. En este apartado voy a mostrarte el mecanismo de una pila. Sí. De una de esas pilas que llevan los mandos de la televisión o los juguetes. Porque estás en disposición de entender este proceso con todo lo que hemos visto en los capítulos anteriores.
Te explico cómo sucede este fenómeno, que no deja de tener algo de mágico. Pero antes te doy algunos datos para que seas consciente de la importancia que tiene hoy en día este invento. En la actualidad, una persona consume entre 30 y 50 pilas al año. Si cogiésemos todas las pilas que se consumen al año en el mundo, e hiciésemos una torre poniendo una encima de otra, llegaríamos a la Luna y una vez allí, podríamos hacer una nueva torre que llegaría de nuevo a la Tierra. Vamos que son muchísimas. Aprovecho para concienciarte de la necesidad de reciclarlas. Es un hecho que en España no se recicla siquiera la quinta parte de las que se usan. Y, sin embargo, se trata de uno de los desechos que más contaminan. Para que sigas haciéndote idea del problema, una pila de botón (sí, las pequeñitas que van en los relojes) podría contaminar más de 600.000 litros de agua. Ahí es nada. Así que cuando se te gasten las pilas, corriendo al contenedor más cercano que tengas. Al “recopilador”. Sigamos con la historia.
Las pilas se conocen y se usan desde antes que el ser humano fuese consciente de la existencia de los electrones. Una vez más la experiencia práctica adelantando a la teoría que lo fundamenta. De hecho, la primera pila es del principio del siglo XIX. Eso si no tenemos en cuenta las pilas de Bagdad que se fechan en el siglo I. De éstas te hablaré al final del capítulo por no desviarnos mucho ahora. No obstante, en caso de ser cierto que en aquella época tan lejana se utilizaran las pilas, lo cierto es que ese conocimiento se perdió en la historia y no fue hasta el año 1800 en que se tuvo consciencia de nuevo de su capacidad. En esa época el átomo era considerado indivisible. Recuerda. Fue entonces cuando Alexander Volta dio a conocer su pila eléctrica. La pila de Volta estaba formada por unos discos de cobre, otros de zinc y otros de trapo humedecido, que se iban alternando, quedando en sus extremos unos bornes entre los que se generaba corriente si se conectaban entre sí.
Fíjate bien en el dibujo. Si te das cuenta, los discos se alternan, apilándose uno sobre el otro. Y de “apilar” viene el nombre de pila. En otros modelos, en vez de apilar los discos, se organizaban uno al lado del otro, esto es, en “batería”. De ahí que también se les llame así. Pilas o baterías. Ahora ya sabes de dónde vienen estos nombres.
En 1836 Daniell presenta “su” pila. El fundamento químico es el mismo que el que reside en la pila de Volta. Pero la de Daniell está muy bien pensada para que se entienda. Eso la convierte en la pila que, didácticamente, se utiliza para enseñar cómo una reacción química es capaz de dar lugar a energía eléctrica. John Frederic Daniell fue un químico y meteorólogo británico que trabajó para mejorar la pila de Volta. Insisto en que las bases son exactamente las mismas, y los materiales también. Lo que ocurre en cualquiera de las dos, básicamente, es que hay una sustancia que gana electrones y otra sustancia que los pierde, provocando una corriente eléctrica que circula entre ambas. Si los electrones se mueven, habrá electricidad. Recuerda que esto es lo que la pila busca. Generar electricidad. Mover electrones. Daniell estableció una separación entre estos dos procesos (la pérdida y la ganancia de electrones) de forma que pudo medir la corriente eléctrica que se generaba entre ambos y mostrar perfectamente los dos procesos que ocurren en una pila. Para ello colocó una lámina de zinc en un recipiente que contenía sulfato de zinc. Esta lámina de zinc, la conectó con una segunda lámina de cobre que, a su vez, estaba medio sumergida en una solución de sulfato de cobre. En la figura siguiente puedes observar el montaje.
El mecanismo que desencadena este montaje tan simple es el siguiente. El zinc es un elemento químico que se encuentra más “cómodo” disuelto, así que, en contacto con el sulfato de zinc, el zinc de la lámina va diluyéndose en la mezcla en forma de ion Zn2+ liberando electrones. Estos electrones, se conducen por el cable hasta la lámina de cobre que, al recibirlos, los pone en contacto con los iones de Cu2+, que se encuentran en la disolución, dando lugar a Cu, esto es, cobre en estado puro que se va acumulando en la lámina de ese mismo material. Pero, lo más importante de todo, es que a través del cable que une ambas láminas, fluye una corriente eléctrica, esto es, un conjunto de electrones. ¡Bingo!
Ya por cerrar bien el círculo te diré que la pila de Daniell no es estable sin ayuda. Esta ayuda se la presta el puente salino que puedes apreciar en el dibujo y que puede estar compuesto, por ejemplo, por cloruro sódico. Pero… ¿qué es esto de un puente salino? Pues básicamente un reponedor de cargas allí donde faltan. Así, en el recipiente que contenía el sulfato de zinc, por acción de la disolución de zinc, habrá un exceso de cargas positivas, mientras que en el de sulfato de cobre, aparece una excesiva carga negativa. Para compensar estos crecimientos, el puente salino libera iones de signo positivo (Na+) o negativo (Cl-) en cada uno de los recipientes para neutralizar esas cargas. No hace falta que sepas mucho más. Bueno, sí. Que a los dos procesos que tienen lugar en la pila se les llama oxidación y reducción, y a la suma de ambos se le denomina proceso “redox”. En química la oxidación poco o nada tiene que ver con el oxígeno, sino con la pérdida de electrones. La reducción, proceso contrario, tiene que ver con su adquisición. En nuestra pila, el zinc pierde electrones. Esto es, se oxida. Mientras que el cobre, gana electrones en el proceso de reducción. Se reduce.
Una apreciación sobre la importancia del invento. Desde la pila de Daniel, que generaba un voltaje de 1,1 Voltios, a las actuales, ha habido muchos y variados tipos. Pero en todas ellas el fundamento es siempre el mismo. Crear energía eléctrica desde energía química, dando la posibilidad de controlar dicho mecanismo interrumpiéndolo y arrancándolo cuando uno desea. Y esto fue una pequeña revolución. Porque antes de que existiesen las pilas ya se almacenaba energía eléctrica. Sí. Te estoy hablando de la “pila” de Leyden. Y pongo pila entre comillas porque realmente no era una pila sino un condensador. En el año 1745, dos científicos, Ewald Georg von Kleist y Peter Van Musschenbroek, este último profesor en la Universidad de Leyden en Alemania (de ahí el nombre que se le dio al artilugio), crearon una especie de condensador que era capaz de guardar energía en su interior. Básicamente se trataba de una botella con una varilla metálica en su boca que, al tacto, liberaba corriente que estaba contenida en su interior. Piensa en una botella de Coca Cola con una pajita que cuando la tocas (la pajita) te da una descarga eléctrica. Eso era la pila o botella de Leyden. El problema de la botella de Leyden, si lo comparamos con la pila, es que no se trataba de un generador de energía, sino de algo que la guardaba y la liberaba de golpe ante una determinada excitación. La botella de Leyden no permitía ningún tipo de control. Las descargas eran completas en el momento en que se accionaba la salida de la electricidad. La pila de Volta supuso un salto muy relevante, ya que permitía establecer un control sobre el flujo de la electricidad. Ésta se generaría de manera voluntaria pudiendo, en cualquier momento, cortar y volver a poner en marcha su flujo.
Volvamos a nuestra pila. La de Daniell. Te decía que en ella hay dos partes diferenciadas. Aquélla donde se realiza el proceso de oxidación, esto es, la parte que pierde electrones, y la parte de la pila que se reduce, esto es, la que gana electrones. A la primera se le denomina ánodo, y a la segunda cátodo. Te decía que entre ellas se generaba un potencial o un voltaje de 1,1 Voltios. Voltio se parece bastante a Volta. El que inventó la pila… ¿tendrá algo que ver? La palabra Voltio proviene efectivamente de Volta y, como ya te habrás imaginado, está relacionada con su pila. El voltaje, también llamado diferencia de potencial o tensión, es la propiedad que da lugar al Voltio. Y es que esta magnitud sirve para medir ese voltaje, que no es otra cosa que el trabajo que debe realizar la pila para trasladar los electrones. De esta forma, si quisiésemos pasar muchos electrones entre los dos electrodos de una pila, ésta debería tener un voltaje mayor al caso en que los electrones necesarios en esa circulación fueran menos. Déjame que haga en este punto una analogía que he visto ya escrita en varios libros y que ayuda a entenderlo mejor. Y es que un circuito eléctrico es muy similar a un circuito hidráulico. Piensa en una bomba que tiene que hacer que el agua suba por un tubo. Si tiene que subir mucha agua, la fuerza que tendrá que hacer la bomba será mayor que si tiene que subir poca. Pues bien. Si hay muchos electrones que mover, deberemos hacer mucha fuerza. Necesitaremos un voltaje mayor. Si éstos son pocos, la diferencia de potencial podrá ser más baja.
Coge una pila que tengas por casa. Lo más normal es que sea una de esas pilas cilíndricas tipificadas como AA o como AAA. En ella verás escrito que su voltaje es de 1,5 Voltios. También verás un polo positivo y un polo negativo. El ánodo y el cátodo. Es más fácil si coges una pila de petaca. Sí. Ésas que usábamos cuando éramos niños para hacer nuestros primeros circuitos eléctricos. Sabrás que esas pilas, cuyo voltaje es de 4,5 Voltios, en realidad no son más que tres pilas AA unidas de forma que sus voltajes se suman para generar una diferencia de potencial mayor. Una curiosidad más. Te lo enseño en el dibujo.
Los dos bornes metálicos que sobresalen de su parte superior son el ánodo y el cátodo de la pila, y si los unimos por un cable de cobre, el cátodo se encargará de “arrancar” los electrones del conductor de cobre que irán directos al ánodo. La carga positiva y la carga negativa que necesitábamos para que se moviesen esos electrones. Para que se generase electricidad. Si medimos la diferencia de potencial entre los contactos (ánodo y cátodo) de esa pila de petaca, veremos que es de 4,5 Voltios. Esto determina el número de electrones que es capaz de poner en movimiento. De alguna manera está relacionado con esa otra medida que vimos con antelación con un nombre muy feo: el Culombio. Pero no te entretengo mucho con esto. Lo importante es que sepas que la tensión, el voltaje o la diferencia de potencial son lo mismo, por si lo oyes o lo ves por ahí escrito. Que tiene magnitud, esto es, que puede ser mayor o menor. Que se mide en Voltios. Y que un voltaje elevado (muchos Voltios) supone una mayor corriente eléctrica, esto es, un mayor número de electrones moviéndose. Una pila de 4,5 Voltios será capaz de mover tres veces más electrones que una de 1,5 Voltios. Por darte algunos valores de referencia aparte de los 1,5 o los 4,5 Voltios de la pila tradicional, en una casa las tomas de corriente, esto es, los enchufes, tienen una tensión de 220 Voltios. Muchos. Pero la electricidad que proviene de los enchufes no es igual que la que sacamos de una pila. Las pilas generan corriente continua y los enchufes proveen corriente alterna. Dos tipos de corriente. Cada una con sus ventajas e inconvenientes. Diferentes. Una diferencia que casi provoca que dos personajes, muy relevantes en esto de la ciencia, llegasen a las manos. En el siguiente capítulo te lo cuento con todo detalle.
Pero antes de cambiar de tema y de capítulo te debo una historia: las pilas de Bagdad. Suena a cuento de las mil y una noches. Con este nombre se hace referencia a unos jarrones que podrían ser del primer siglo después de Cristo y que fueron descubiertos en 1936 durante unas excavaciones en una colina de Kujut Rabua, una aldea al sureste de Bagdad (Irak). Lo sorprendente de estos objetos es que no eran sencillos recipientes. Estos jarrones de arcilla tenían un cilindro de cobre en su interior fijado a la embocadura y, dentro del cilindro, una vara de hierro. Según algunas hipótesis generadas a partir de su descubrimiento, los hombres de la época utilizarían zumo de uva que actuaría como electrolito entre ambos metales. El electrolito, porque te veo cara rara, es cualquier sustancia que contenga en su composición iones libres. En nuestra pila de Daniel, para que lo relaciones, el electrolito son los sulfatos en los que sumergíamos las láminas de Cobre y de Zinc. La existencia de las pilas de Bagdad no es algo constatado, insisto, pues no hay ninguna prueba de una utilización de este tipo. Pero sí es cierto que estas extrañas vasijas podrían haber funcionado como pilas. El programa de televisión “Cazadores de Mitos” construyó unas réplicas que, conectadas entre sí y utilizando como electrolito zumo de limón, llegó a generar una tensión de 4 Voltios.
Dejémoslo ahí. No tengo fundamentos suficientes como para posicionarme en alguno de los lados de la polémica sobre si estas rudimentarias pilas existieron o no. Sin embargo, no deja de tener su encanto que la historia nos hubiera obligado a inventar la electricidad dos veces. Algo que sólo incrementaría su valor hasta hacerlo más que imprescindible, necesario. Inevitable.
Próximo capítulo: "La corriente eléctrica"