Componentes y materiales

Las pilas más comúnmente utilizadas en los relojes de cuarzo son del tipo Zn/Ag2O (zinc/óxido de plata).

La pila de óxido de plata consta de 2 recipientes que contienen el metal negativo (ánodo) y el material positivo (cátodo). Ambos recipientes actúan como polos o electrodos negativo y positivo. Un separador (malla aislante) interno evita que ambos materiales entren en contacto pero permite el intercambio de iones (átomos con carga eléctrica) entre el cátodo y el ánodo. El material del ánodo es el zinc (Zn) mientras que el del cátodo es el óxido de plata (Ag2O).

El electrolito (NaOH ó KOH) permite la conexión eléctrica entre el cátodo y ánodo, sin que exista un contacto directo entre ambos materiales (lo cual produciría el corto-circuito interno de la pila).

La junta de separación de aislante polímero sirve para que los recipientes que contienen el cátodo y el ánodo no se toquen entre sí. Además, actúa como un elemento para garantizar la estanqueidad de la pila y evitar que salgan al exterior componentes químicos.

Componentes y materiales

Electrolisis: Fuga del electrolito

Con el envejecimiento de la pila el separador tiende a degradarse con lo que el electrolito contenido en el ánodo puede entrar en contacto con el material del cátodo (zinc). Cuando esto sucede se produce el fenómeno químico conocido como electrolisis (reacción química mediante la cual el hidróxido de sodio (NaOH) se quiebra y cede su oxígeno (O2) al zinc (Zn). La reacción química que se produce es la siguiente:

NaOH + Zn = Na + ZnO + H

La suma del hidróxido de sodio y zinc produce sodio (Na), óxido de zinc (ZnO) e hidrógeno (H). El hidrógeno es el elemento menos denso y de hecho una vez que se separa del electrolito puede aumentar su volumen 20 veces. La estanqueidad de la pila no permite la salida del gas lo cual conduce a un incremento de la presión interna. La presión interna tiende a igualarse con la externa llegando a abombar la pila. Entre los componentes de la pila el más débil es la junta aislante por lo que es por ahí por donde el hidrógeno intentará salir al exterior. Finalmente la junta se romperá o cederá, produciéndose la salida del electrolito que es una substancia alcalina y corrosiva (evitar su contacto directo con la piel, ojos u otros tejidos humanos). La formación adicional de hidrógeno ayudara a expulsar el electrolito al exterior. Se produce lo que comúnmente se conoce con el nombre de “fuga” o “sulfatación”.

La electrolisis sucede solamente cuando el separador se ha degradado por lo que la posibilidad de que suceda este fenómeno se ve aumentada a medida que la pila se aproxima a su fecha de caducidad. Otro factor importante que incrementa el riesgo de fuga es el almacenamiento de la pila a elevadas temperaturas (>30°C) durante periodos prolongados de tiempo.

Tipos de electrolito

Existen dos tipos de electrolito que son utilizados en las pilas de óxido de plata: El ya mencionado de hidróxido de sodio (comúnmente llamado sosa cáustica) y el de hidróxido de potasio (KOH) (denominado comúnmente como potasa cáustica). Para las pilas “low drain” (bajo consumo) se utiliza el primero, mientras que para las “high drain” se emplea el segundo.

La función de ambos electrolitos en la pila es la misma. La diferencia reside en que la resistencia interna en las de “bajo consumo” es más elevada que en las de “alto consumo”. La resistencia interna de la pila limita la cantidad de energía que puede ser obtenida de la pila en un momento determinado. A mayor resistencia interna, menor cantidad de energía la que se puede obtener de la pila. Por eso, las pilas de “alto consumo” están diseñadas para utilizarse en relojes con funciones (cronómetro, luz,…) que requieren de una demanda adicional de corriente.

El separador en las pilas de “alto consumo” es más delgado lo cual facilita el suministro de pulsos de corriente. La desventaja del separador más fino es que es más susceptible de degradación por lo que el riesgo de fuga es más elevado que en las de “bajo consumo”.

Prevención de fugas

El riesgo nulo de fuga no existe aunque algunas sencillas precauciones pueden ayudarnos a reducirlo:

  • Evitar dejar la pila en un reloj cuando no se vaya a usarlo.
  • No esperar a que el reloj deje de funcionar para cambiar la pila.
  • Utilizar pilas frescas.

Funcionamiento de la pila: Un poco de química

 

Funcionamiento de la pila: Un poco de química

La corriente eléctrica es el desplazamiento de electrones a través de un conductor. Para producir químicamente la electricidad se utilizan dos materiales (electrodos) que van a producir una reacción “Redox” (reducción-oxidación). Esta reacción química viene acompañada por un intercambio de electrones. Los materiales de los electrodos (cátodo y ánodo) son de metales diferentes y se insertan en el electrolito (sustancia en forma líquida o gel que contiene los iones de ambos electrodos. Una membrana porosa o separador evita el contacto directo entre el cátodo y el ánodo.

El voltaje generado dependerá de los metales que se utilicen para la fabricación de la pila. Así, el voltaje generado por una pila de litio es de 3 v.

Los átomos del ánodo pasan al electrolito en forma de iones lo cual libera los electrones. El ánodo sufre lo que químicamente se conoce con el nombre de “oxidación” (pérdida de electrones). Estos electrones atraviesan el circuito exterior y llegan al cátodo donde reaccionan con sus iones originando la formación de átomos metálicos que se depositan sobre el electrodo. Los cationes (iones del cátodo) sufren lo que químicamente se denomina “reducción” (ganancia de electrones).

Reacción en el ánodo: Zn + 4OH- → Zn(OH)4 2- + 2e-

Reacción en el cátodo: Ag2O+ H2O + 2e- → 2Ag + 2 OH-

En el circuito exterior los electrones circulan del ánodo al cátodo. El ánodo es el polo (-) mientras que el cátodo es el (+). En la pila de óxido de plata, el ánodo es el zinc mientras que el cátodo es el óxido de plata.

Electricidad: Algunos conceptos importantes

Una analogía hidráulica nos ayudará a comprender mejor los conceptos abstractos de la electricidad.

Electricidad: Algunos conceptos importantes

Voltios (V): En analogía hidráulica, sería como la altura (presión gravitacional). La mayor altura del agua correspondería, en electricidad, a un mayor voltaje. El voltaje empuja los electrones a través del circuito eléctrico.

Amperios (A): Es el flujo de electrones (partículas subatómicas cargadas negativamente).

Resistencia (Ω): Es la resistencia al flujo de electrones; en nuestra analogía sería la sección de la tubería.

Mili-amperios hora (mAh): La cantidad de agua contenida en el depósito. Es la cantidad de corriente eléctrica que puede suministrar la pila a lo largo del tiempo (por ej.: una pila de 15mAh puede suministrar 15 miliamperios en una hora si la descarga fuese continua).

Ley de Ohm: Una fórmula esencial en electrotécnica dice que el voltaje (V) es igual al producto de la corriente (I) por la resistencia (R). V = I x R

Resistencia interna de la pila (Ri): Es una resistencia adicional al paso de electrones, inherente a los materiales que componen la pila, ya que no son 100% conductores de electricidad. Lo ideal sería una pila con 0 Ω de Ri pero esto no sucede en la vida real. Una pila con una alta Ri tendrá un rendimiento inferior. Una pila con baja Ri tendrá mayor capacidad para suministrar pulsos de corriente (se puede deducir de la ley de Ohm: Despejando la I tenemos que I = V ÷ R; si la resistencia aumenta, la corriente (I) disminuye proporcionalmente). La Ri aumenta a medida que la pila se va descargando.

Tensión a circuito abierto: Es la tensión medida por un aparato de alta impedancia de forma que el consumo de corriente es prácticamente nulo. Sería un valor próximo al de la tensión nominal (teórica, la que se suele indicar en los embalajes, publicidad,…).

Tensión a circuito cerrado: Es la medida de tensión cuando se aplica una resistencia externa. Esto produce una caída de la tensión.

Tensión a circuito

Curva de descarga, tensión de corte

La curva de descarga es una gráfica que representa la evolución de la tensión de la pila durante su descarga a lo largo del tiempo. En la pila de óxido de plata la tensión permanece constante durante su periodo de vida hasta que cae bruscamente y no puede suministrar más energía al reloj.

La tensión de corte es la tensión mínima por debajo de la cual el reloj no puede obtener más corriente de la pila. Esta tensión es diseñada por el fabricante del reloj o aparato electrónico.

Curva de descarga, tensión de corte

Funcionamiento del reloj de cuarzo

Los componentes principales del reloj son los siguientes:

  1. Circuito integrado (CI)
  2. Cristal de cuarzo
  3. Motor paso a paso
  4. Engranajes

El principio de funcionamiento es:

  1. La pila suministra la corriente al CI.
  2. El CI hace oscilar al cristal de cuarzo a elevada frecuencia (32.768 veces por segundo).
  3. El CI detecta la oscilación del cuarzo y lo convierte en pulsos eléctricos (uno por segundo).
  4. El pulso eléctrico hace funcionar el motor. El motor convierte la energía eléctrica en energía mecánica.
  5. El motor hace girar los engranajes.
  6. Los engranajes mueven las manecillas del reloj.

Funcionamiento del reloj de cuarzo

Tabla comparativa: Sistemas electroquímicos de energía

 

 

Tabla comparativa: Sistemas electroquímicos de energía

Tabla comparativa: Sistemas electroquímicos de energía

DIAGRAMA DE FLUJO PARA EL DIAGNÓSTICO DE LA PILA BOTÓN 1,55 V DE ÓXIDO DE PLATA

DIAGRAMA DE FLUJO PARA EL DIAGNÓSTICO DE LA PILA BOTÓN 1,55 V DE ÓXIDO DE PLATA

        DIAGRAMA DE FLUJO PARA EL DIAGNÓSTICO DE LA PILA BOTÓN 1,55 V DE ÓXIDO DE PLATA

  • Por favor, proporcione todas las informaciones adicionales, datos, fotos...que puedan ayudar a determinar el origen del problema.
  • Cuantifique las reclamaciones recibidas.
  • ¿ La tensión de la pila fue medida correctamente ? En ocasiones se mide la tensión sin una carga resistiva lo que produce una descarga fulminante de la pila (corto-circuito).