2. Pila voltaică

Acasă » Curent continuu » 11 - Baterii şi surse de alimentare

Principiul de funcţionare

Formarea ionilor şi a legăturilor ionice din atomii neutrii sau molecule (sau invers) presupune transferul de electroni. Acest transfer poate fi folosit pentru generarea curentului electric. Un dispozitiv construit special în acest scop poartă denumirea de pilă voltaică sau, pe scurt, pilă; aceasta este de obicei formată din doi electrozi metalici introduşi într-o substanţă chimică denumită electrolit, substanţă special concepută pentru facilitarea unei astfel de reacţii electrochimice (oxidare/reducere).

Reacţiile chimice a unei pile de plumb-acid

Pila folosită pentru automobile este de obicei cea de „plumb-acid”. Electrodul negativ este confecţionat din plumb (Pb), iar cel pozitiv din dioxid de plumb (IV) (PbO₂), ambele substanţe fiind metalice. Soluţia de electrolit este o soluţie diluată de acid sulfuric (H₂SO₄ + H₂O). Dacă electrozii pilei sunt conectaţi la un circuit extern, astfel încât să fie posibilă deplasarea electronilor de la un electrod la celălalt, atomii de plumb (IV) din electrodul pozitiv (PbO₂) vor câştiga fiecare câte doi electroni pentru a produce Pb(II)O. Atomii de oxigen rezultaţi se vor combina cu ionii pozitivi de hidrogen (H)⁺ pentru formarea apei (H₂O). Această deplasare a electronilor spre electrodul PbO₂ îi conferă o sarcină pozitivă. Atomii de plumb din electrodul negativ cedează fiecare câte doi electroni pentru a produce plumb Pb(II), care în combinaţie cu ionii de sulfat (SO₄^-2), produşi prin disociaţia ionilor de hidrogen (H⁺) din acidul sulfuric (H₂SO₄), formează sulfatul de plumb (PbSO₄. Deplasarea electronilor dinspre electrodul de plumb îi conferă sarcina electrică negativă.

Descărcarea pilei voltaice

Acest proces prin care pila produce energie pentru alimentarea sarcinii se numeşte descărcare şi provine de la faptul ca aceasta îşi epuizează rezervele chimice interne în urma acestui proces. Teoretic, după ce întreaga cantitate de acid sulfuric se consumă, din pilă mai rămân cei doi electrozi de sulfat de plumb (PbSO₄) şi o soluţie electrolitică de apă pură (H₂O); această situaţie nu mai permite formarea legăturilor ionice adiţionale. În acest moment, pila se spune că este complet descărcată. Stadiul de încărcare poate fi determinat în acest caz de concentraţia soluţiei acide.

Comportamentul pilei depinde de materialele din care este confecţionată

Nu toate pilele voltaice sunt construite pe baza aceloraşi reacţii chimice, dar lucrul cel mai important de reţinut este că electronii sunt „motivaţi” să se deplaseze între cei doi electrozi de către reacţiile ionice dintre moleculele electrozilor şi moleculele electrolitului. Reacţia este activată atunci când există un drum exterior închis (complet) pentru formarea curentului electric. La întreruperea acestui circuit, reacţiile chimice încetează.

Valoarea tensiunii generate de o celulă depinde de tipul reacţiilor chimice ce au loc în interiorul acesteia, mai bine spus, de configuraţia chimică a celulei. În exemplul de mai sus, pila de plumb-acid prezintă la bornele sale o tensiune nominală de 2,04 V, atunci când este încărcată la maxim (concentraţia de acid ridicată). Pila Edison, confecţionată din oxid de nichel (electrodul pozitiv) şi fier (electrodul negativ), cu o soluţie electrolitică de hidroxid de potasiu generează o tensiune nominală de 1,2 V.

Încărcarea pilei voltaice

În cazul anumitor tipuri de pile, reacţiile chimice pot fi inversate forţând curgerea curentului în sens invers prin pilă. Acest proces poartă denumirea de încărcare. O astfel de pila re-încărcabilă se numeşte pilă secundară. O pilă a cărei compoziţii chimice nu poate fi readusă la starea iniţială se numeşte pilă primară.

Încărcarea unei pile de plumb-acid printr-o sursă de curent externă duce la inversarea reacţiilor chimice din interiorul acesteia: