11.2: Construcción de Batería

El símbolo para una celda es muy simple, consiste en una línea larga y una línea corta, paralelas entre sí, con cables de conexión:

El símbolo de una batería no es más que un par de símbolos de celda apilados en serie:

Como se indicó anteriormente, el voltaje producido por cualquier tipo particular de celda está determinado estrictamente por la química de ese tipo de celda. El tamaño de la celda es irrelevante para su voltaje. Para obtener un voltaje mayor que la salida de una sola celda, se deben conectar múltiples celdas en serie. El voltaje total de una batería es la suma de todos los voltajes de las celdas. Una batería típica de plomo-ácido automotriz tiene seis celdas, para una salida de voltaje nominal de 6 x 2.0 o 12.0 voltios:

Las celdas de una batería automotriz están contenidas dentro de la misma carcasa de goma dura, conectadas entre sí con barras de plomo gruesas en lugar de cables. Los electrodos y las soluciones electrolíticas para cada celda están contenidos en secciones separadas y divididas de la caja de la batería. En baterías grandes, los electrodos comúnmente toman la forma de rejillas o placas metálicas delgadas, y a menudo se les conoce como placas en lugar de electrodos.

Por conveniencia, los símbolos de batería suelen estar limitados a cuatro líneas, alternando largo/corto, aunque la batería real que representa puede tener muchas más celdas que esa. En ocasiones, sin embargo, es posible que te encuentres con un símbolo para una batería con un voltaje inusualmente alto, dibujado intencionalmente con líneas adicionales. Las líneas, por supuesto, son representativas de las placas celulares individuales:

Si el tamaño físico de una celda no tiene impacto en su voltaje, entonces ¿a qué afecta? La respuesta es la resistencia, que a su vez afecta la cantidad máxima de corriente que una celda puede proporcionar. Cada celda voltaica contiene cierta cantidad de resistencia interna debido a los electrodos y al electrolito. Cuanto más grande se construya una celda, mayor será el área de contacto del electrodo con el electrolito, y así menor será la resistencia interna que tendrá.

Si bien generalmente consideramos que una celda o batería en un circuito es una fuente perfecta de voltaje (absolutamente constante), la corriente a través de ella dictada únicamente por la resistencia externa del circuito al que está unida, esto no es del todo cierto en la vida real. Dado que cada celda o batería contiene alguna resistencia interna, esa resistencia debe afectar la corriente en cualquier circuito dado:

La batería real que se muestra arriba dentro de las líneas punteadas tiene una resistencia interna de 0.2 Ω, lo que afecta su capacidad para suministrar corriente a la resistencia de carga de 1 Ω. La batería ideal de la izquierda no tiene resistencia interna, por lo que nuestros cálculos de la Ley de Ohm para corriente (I=E/R) nos dan un valor perfecto de 10 amperios para corriente con la carga de 1 ohm y el suministro de 10 voltios. La batería real, con su resistencia incorporada que impide aún más el flujo de electrones, solo puede suministrar 8.333 amperios a la misma carga de resistencia.

La batería ideal, en cortocircuito con 0 Ω de resistencia, sería capaz de suministrar una cantidad infinita de corriente. La batería real, por otro lado, sólo puede suministrar 50 amperios (10 voltios/0.2 Ω) a un cortocircuito de 0 Ω de resistencia, debido a su resistencia interna. La reacción química dentro de la celda aún puede estar proporcionando exactamente 10 voltios, pero el voltaje cae a través de esa resistencia interna a medida que los electrones fluyen a través de la batería, lo que reduce la cantidad de voltaje disponible en los terminales de la batería a la carga.

Dado que vivimos en un mundo imperfecto, con baterías imperfectas, necesitamos entender las implicaciones de factores como la resistencia interna. Por lo general, las baterías se colocan en aplicaciones donde su resistencia interna es insignificante en comparación con la de la carga del circuito (donde su corriente de cortocircuito excede con creces su corriente de carga habitual), por lo que el rendimiento es muy cercano al de una fuente de voltaje ideal.

Si necesitamos construir una batería con menor resistencia de la que puede proporcionar una celda (para mayor capacidad de corriente), tendremos que conectar las celdas juntas en paralelo:

Esencialmente, lo que hemos hecho aquí es determinar el equivalente Thevenin de las cinco celdas en paralelo (una red equivalente de una fuente de voltaje y una resistencia en serie). La red equivalente tiene el mismo voltaje de fuente pero una fracción de la resistencia de cualquier celda individual en la red original. El efecto general de conectar celdas en paralelo es disminuir la resistencia interna equivalente, así como las resistencias en paralelo disminuyen en la resistencia total. La resistencia interna equivalente de esta batería de 5 celdas es 1/5 la de cada celda individual. El voltaje general permanece igual: 2.0 voltios. Si esta batería de celdas estuviera alimentando un circuito, la corriente a través de cada celda sería 1/5 de la corriente total del circuito, debido a la división igual de corriente a través de ramas paralelas de igual resistencia.

Revisar

• Una batería es un grupo de celdas conectadas entre sí para una mayor capacidad de voltaje y/o corriente.
• Las celdas conectadas entre sí en serie (polaridades que ayudan) dan como resultado un mayor voltaje total.
• El tamaño físico de la celda afecta la resistencia de la celda, lo que a su vez afecta la capacidad de la celda para suministrar corriente a un circuito. Generalmente, cuanto más grande es la célula, menor es su resistencia interna.
• Las celdas conectadas entre sí en paralelo dan como resultado una menor resistencia total y una corriente total potencialmente mayor.