En julio de 2023 David Flores me pidió ayuda para construir una pila de Zamboni porque estaba construyendo una replica de la Campana de Oxford. No sabia nada sobre el tema y me puse a investigar sobre ella.
Reproduzco información sacada de internet:
En el laboratorio Clarendon de la Universidad de Oxford hay una campana que no ha dejado de sonar por al menos 175 años. Su energía proviene de una batería que fue instalada en 1840. A los investigadores les encantaría saber de qué está hecha la batería, pero temen que si abren la campana podrían arruinar el experimento que buscaba saber que duración iba a tener la batería.
El badajo de la campana oscila hacia adelante y atrás rápidamente, lo que significa que la campana eléctrica de Oxford, como se le conoce, ha sonado unas 10 billones de veces más o menos, de acuerdo a la universidad. Está hecha de una «pila seca», una de las primeras baterías eléctricas. Las pilas secas fueron inventadas por un tipo llamado Giuseppe Zamboni a comienzo del 1800. Utilizan discos alternados de plata, zinc, azufre y otros materiales para así generar corrientes bajas de electricidad.
«No sabemos con seguridad de qué están hechas las pilas, pero está claro que el revestimiento exterior es de azufre y este se sella en las células y los electrolitos» escribió en 1984 un antiguo investigador en el laboratorio Clarendon, llamado AJ Croft, describiendo la campana en el European Journal of Physics. «Pilas similares a esta fuera creadas por Zamboni, cuyas baterías estaban hechas de 2000 pares de discos de papel aluminio, pegados a un papel que estaba impregnado de sulfato de zinc y recubierto por el otro lado con dióxido de magnesio».La campana no empezó necesariamente como un experimento. Fue manufacturada por los creadores de instrumentos londinenses Watkin and Hill y tiene una nota escrita escrita a mano que dice «Instalada en 1840». Eventualmente fue comprada por un investigador, quien dejó que continuara sonando (la universidad de Oxford sugiere que hay evidencia que puede haber sido instalada incluso en 1825). El libro de récord Guinness dice que esta fuente de poder es la «batería más durable del mundo».
El tema no me resultaba especialmente interesante pero me metí en el porque tal como dijo David Flores, el no tenia medios para experimentar.
Es imagen es de la Campana de Oxford.
Y esta es la replica que David tiene preparada a falta de las pilas.
la idea que tenia sobre pilas y baterías no era mucho mas de lo que cualquier conocedor de electrónica podía tener, pero no tuve otro remedio que ponerme a investigar sobre el tema.
Uno de los primeros documentos que merece la pena leer es este: http://ppp.unipv.it/Collana/Pages/Libri/Saggi/Volta%20and%20the%20History%20of%20Electricity/V%26H%20sect1/V%26H%20113-125.pdf que habla de la correspondencia que mantuvieron Zamboni y Volta acerca de las pilas.
He visto algunos videos https://www.youtube.com/watch?v=_xxrKzAjEso en que fabricaban pilas de Zamboni y median el voltaje empleando un polímetro digital corriente y moliente y eso me ha comenzado a levantar ampollas sobre la fiabilidad de dichos experimentos. Me explico: Un polímetro digital estándar tiene una impedancia de entrada de 10 Megas, si tratamos de medir el voltaje de una pila de 1 voltio, el polímetro extraerá de la pila 100 nanoamperios, pero si la pila no es capaz de suministrar mas que 50 nanoamperios el voltaje que nos dará el polímetro será de solo 0,5 voltios.
Si ponemos 100 pilas de estas en serie el voltaje nominal seria de 100 voltios pero cuando tratemos de medir, como la pila solo es capaz de suministrar 50 nanoamperios, en vez de los 100 V nominales solo mediremos 0,5 voltios. debido a esto los videos que he visto sobre las pilas Zamboni me han escamado. Por eso para medir las pilas de Zamboni en vez de emplear un polímetro corriente hay que emplear un electrómetro.
En paralelo con la realización de la pila de Zamboni para hacerme una idea del voltaje que debería emplear la campana de Oxford he realizado un montaje similar empleando como badajo una esfera ahuecada de latón de 5 mm de diámetro con un peso de 280 miligramos, pendiente de un hilo de 50 cm de largo situada entre dos cilindros de aluminio uno conectado a masa y el otro a una fuente de alimentación de alta tensión. El Voltaje mínimo a que he conseguido hacer oscilar el badajo dos veces por segundo es de 300 V.
De manera aproximada el badajo que empleé tiene un diámetro de 0,5 cm. La capacidad equivalente aproximada en picofaradios de una esfera de este tamaño es el diámetro de la esfera en cm multiplicado por 1,1. Por tanto la esfera tiene una capacidad de aproximadamente 0,55 picofaradios. Si la esfera se pone a un potencial de 300 V, la carga que almacenará será de Q=CV = 0,55 .10 -12 . 300 = 165. 10-12 Culombios. Cada vez que la esfera haga una oscilación transferirá de un electrodo a otro esa carga. Si lo hace dos veces por segundo la carga transferida por segundo será de 330 pico culombios equivalente a una intensidad de 330 pico amperios, suponiendo por supuesto que no hay fugas por otros motivos como humedad ambiente o corrientes de aire.
En estas condiciones el consumo de carga anual de la campana será 330 x 10-12 amperios multiplicado por 31,5 .106 segundos = de 10.395 . 10-6 culombios. Suponiendo una vida de la campana de 250 años, en este tiempo consumiría 2,6 culombios.
Por tanto para replicar algo parecido a la campana de Oxford con pila de Zamboni necesitamos construir una pila que nos genere mas de 300 V una vida útil de 250 años o mas y una carga total de al menos 2,6 culombios. La vida útil solo la determinará la experiencia y el tiempo, pero el voltaje y la caga total si podemos tratar de conseguirlas. Nuestro objetivo será conseguir 30 culombios de una pila de 500 V para tener una margen de error razonable.
Para replicar la campana me basare en la pila Leclanche ya que pienso que debe ser muy parecida a esta.
Las reacciones simplificadas que se producen en la pila Leclanche son las siguientes:
Zn+ 2 MnO2 + 2 NH4Cl→ ZnCl2 + Mn2O3 + 2 NH3 + H2O
Para que la pila sea lo mas eficientemente posible debe de construirse de manera que todos los componentes se agoten al mismo tiempo. De esta manera una pila con 1 mol de cinc (65 g.) reacciona a lo largo de su vida útil con dos moles (2 x 87= 174 g.) de dióxido de manganeso y dos moles de cloruro amónico ( 2 x 53,5= 107 g).
Cada mol de cinc cede dos electrones que generan una carga de 2 x 96,500= 193.000 Culombios. Por lo que, redondeando, cada gramo de cinc genera 3000 Culombios.
Supongamos que construimos una pila con discos de cinc de 20 mm de diámetro y 0,1 mm de espesor. Como la densidad del cinc es 7,1 cada disco pesará 0,223 gramos y si se consumiese totalmente generaría 667 Culombios, casi mas de 300 veces de las necesidades teoricas.
Para que la pila formada con discos de cinc como el propuesto, con un peso aproximado de 0,25 g, debería contar con 0,65 g de dióxido de manganeso y 0,4 g de cloruro amónico. El carbón que también forma la pila no sufre desgaste por lo que no se calculan sus cantidades.
Construccion de la pila.
El zinc puede comprarse en lamina de 0,1 mm sin demasiados problemas o laminarlo a un espesor de 01 mm a partir de laminas mas gruesas sin demasiada dificultad.
Para el electrolito se parte de una cartulina de papel que sea porosa, no vale la cartulina satinada porque tiene poco poder de absorción, ni tampoco el papel secante porque se deshace cuando lo humedecemos demasiado. La cartulina se pone encima de una lamina de vidrio y se pinta (con una brocha fina) generosamente por las dos caras con una solución saturada de cloruro amónico en agua. Se retira y se pone a secar. Una vez seca se repite el proceso otras dos veces. En mi caso hemos empleado una cartulina de dibujo de 200gr/m2 que tiene un espesor de 0,22 mm. Cada cartulina DIN A4 pesa 12,3 gr. y tiene 600 cm2 aproximados de superficie. Después de la impregnación con el cloruro amónico y bien seca, el peso de la cartulina excede de los 18 gramos, lo que se corresponde con una densidad de 10 mg/cm2 de cloruro amónico. Para celdas de 23 mm de diámetro (3,8 cm2) corresponden aproximadamente 38 mg.
Una vez seca las cartulinas se recubren primero con una mezcla de dioxido de manganeso y grafito y luego con otra capa fina de grafito.
La pintura de manganeso-grafito se hace con 15 gr de grafito, 15 gr. de dióxido de manganeso, 1,8 gr. de metilcelulosa ( 6%) y 50 g de agua. Resulta con buena viscosidad para extenderla con pincel pero es mejor dar dos generosas capas con aerógrafo. Para aplicarla con aerógrafo diluirla con un 50 % de agua. Emplear un aerógrafo de 0,8 mm porque con menor se atasca.
La pintura de grafito se hace con 30 gr de grafito, 1,8 gr. de metilcelulosa ( 6%) y 50 g de agua. Resulta con buena viscosidad para extenderla con pincel y buena conductor pero es mejor dar una capa con aerógrafo. Para aplicarla con aerógrafo diluirla con un 50 % de agua. Emplear un aerógrafo de 0,8 mm porque con menor se atasca.