Respuestas sorprendentes a preguntas cotidianas
13. Si cargamos una batería, ¿pesará más?
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CAPÍTULO
13
Si cargamos una batería, ¿pesará más?
Un lector de mi blog me envió una vez un correo electrónico en el que afirmaba que era capaz de adivinar si una pila está cargada solo por su peso, porque, según él, las pilas que están cargadas pesan más que las que no lo están. Personalmente, si tuviera que hacer una lista con los superpoderes que más me gustaría tener, la capacidad de adivinar la carga de una pila por su peso estaría más bien hacia el final, junto con la habilidad de predecir los números de la lotería premiados dos segundos antes de que empiece el sorteo o la fuerza sobrehumana que solo se activa cuando te quedas dormido.
En realidad, la afirmación de este lector y los superpoderes absurdos que me acabo de inventar comparten una cosa en común: que ninguno de ellos existe.
¿Estás llamando mentiroso a uno de tus fieles lectores?
Para nada, voz cursiva; no digo que esté mintiendo ni que se esté inventando la historia. Es más, estoy seguro de que él cree que puede adivinar si una pila está cargada solo por su peso. El problema es que se está engañando a sí mismo, aunque no se dé cuenta. De hecho, si algún lector de este libro está convencido de que tiene este mismo superpoder y se ha sentido identificado con este testimonio, déjame explicar por qué es imposible distinguir si una batería está cargada a partir de su peso. Y, si eso no te convence, explicaré qué prueba puedes hacer para comprobar de manera objetiva si realmente tienes esta increíble habilidad o no.
Pero, primero, tendremos que averiguar cómo funcionan las pilas... Así que toca volver a hablar de nuestros amigos los átomos.
Hemos visto que los átomos consisten en un núcleo lleno de protones y neutrones que está rodeado de electrones. Pero aunque los protones y los electrones tienen carga positiva y negativa, respectivamente, por suerte no vamos por la calle pegándonos calambrazos con todo lo que tocamos, porque cada átomo tiende a contener el mismo número de unos y otros, así que su carga global es neutra. Teniendo esto en cuenta, puedes imaginar que un material tendrá carga eléctrica si la cantidad de protones y electrones que poseen sus átomos está desequilibrada. Si posee más protones que electrones, adoptará una carga positiva. Si tiene más electrones que protones, su carga será negativa.
Pues bien, resulta que en cuanto una región que contiene demasiados electrones entra en contacto con otra donde faltan, todos esos electrones sobrantes se abalanzarán en tromba a ocupar los lugares vacíos. Ese flujo de electrones que se produce entre dos zonas con carga eléctrica opuesta es lo que llamamos corriente eléctrica, y, en cuanto todos los lugares vacíos hayan sido ocupados, las cargas de las dos regiones se habrán equilibrado porque ambas contendrán el mismo número de partículas con carga positiva y negativa, y los electrones dejarán de fluir de una a otra.
Este concepto tan simple es el principio que hay tras el funcionamiento de las pilas, que, básicamente, son recipientes en los que hay varias sustancias cuya reacción química produce una región con carga negativa en la que sobran electrones (el cátodo) y otra con carga positiva en la que faltan (el ánodo). Además, estas pilas están estructuradas de manera que los electrones no pueden moverse libremente por su interior, así que la única manera que tienen de pasar de la región donde sobran a la que faltan y producir una corriente eléctrica es a través de un objeto que una los extremos de la pila y permita el paso de la electricidad, como un cable de metal.
Entiendo, pero ¿por qué tiene que ser precisamente metal? ¿Por qué esos electrones no pueden pasar a través de un trozo de goma, por ejemplo? Porque la verdad es que no estaría mal que los cables fueran elásticos.
Buena pregunta, voz cursiva. Para entender por qué los electrones pueden pasar a través de un cable de metal, pero no de una goma elástica, sustituyamos los electrones por personas y el cable por una calle estrecha.
Imagina que te encuentras en medio de una plaza que está abarrotadísima porque se han instalado unas pantallas gigantes en las que se está retransmitiendo la final del Campeonato Mundial de Curling. Tras un partido igualadísimo que incluso se podría calificar de épico, el equipo de tu ciudad sale victorioso y la multitud estalla en vítores. Todo el mundo está ansioso por celebrar el triunfo en la plaza vacía de al lado, pero hay un problema: solo se puede acceder a ella a través de una calle estrecha que también está abarrotada.
Muy poco a poco, la plaza se empieza a vaciar a medida que la gente que está más cerca de la callejuela entra en ella y empuja a quienes tienen delante en dirección a la plaza vacía. Pero aunque tu intención inicial era la misma, de repente te das cuenta de que la plaza en la que te encuentras ya no está tan abarrotada y se ha vaciado lo suficiente como para que ya te sientas cómodo en ella. Llegados a este punto, el deseo por mudarte a la plaza vecina desaparece y empiezas a festejar la salvaje victoria de tu equipo con el resto de los aficionados al curling que te rodean.
Pues, bien, quitando el detalle del curling, lo que ocurre cuando conectamos los dos terminales de un cable de metal es una situación medianamente parecida: el cátodo está abarrotado de electrones que tienen muchas ganas de llegar hasta los huecos libres que hay en el ánodo, así que, en cuanto los dos extremos de la pila se conectan, se lanzan en tromba hacia el cable y empiezan a empujar sus electrones hacia el lado opuesto. De esta manera, los huecos del ánodo se irán rellenando con electrones hasta que los dos extremos de la pila hayan alcanzado el equilibrio. Llegados a este punto, la pila ya no producirá corriente eléctrica porque todos los electrones estarán «cómodos» en sus respectivas posiciones y ya no tendrán un motivo para moverse de un lado al otro a través del cable.
La pila se habrá gastado, vaya.
Eso mismo, voz cursiva. Teniendo esto en cuenta, el motivo por el que los elementos metálicos suelen conducir bien la electricidad es que, como hemos visto en el capítulo 2, los átomos de los metales están enlazados de manera que los electrones de su capa más externa no están anclados en un núcleo concreto, sino que se pueden mover a través del material con relativa libertad. Por tanto, los electrones del cátodo de la pila se desplazan a través del metal a base de empujar esos electrones libres que contiene hasta llevarlos al ánodo, igual que la gente del ejemplo anterior acababa llegando a la plaza vacía a base de desplazar a la gente que ocupaba la callejuela.
En cambio, una goma elástica no es capaz de conducir la corriente porque los átomos que forman sus moléculas están unidos por enlaces covalentes que mantienen los electrones de sus capas externas bien anclados en sus núcleos atómicos. Por tanto, como los electrones de una corriente eléctrica no pueden empujar a los electrones de este tipo de materiales, no se pueden abrir paso a través de ellos. Volviendo a la analogía de la plaza abarrotada, sería como si la callejuela estuviera llena de puestos donde regalan muestras de comida gratis: en este caso, la gente de la callejuela se negaría a moverse hacia la plaza vacía e impediría pasar a los demás.
Total, que lo que permite que los metales sean buenos conductores de la electricidad es la existencia de electrones libres entre su estructura atómica. Si una sustancia no contiene esas partículas libres, el flujo de electrones que compone una corriente eléctrica no podrá desplazarse a través de ella y estaremos ante un material aislante.
Estupendo, pero ¿qué relación hay entre lo que me cuentas y el peso de las pilas?
Pues que me da la impresión de que esa idea de que las pilas puedan pesar más cuando están cargadas viene de la incorrecta impresión de que se «llenan» o «vacían» de electrones cada vez que se cargan y se gastan, como cuando repostamos gasolina para llenar el depósito del coche. Pero, como hemos visto, la cantidad de electrones que hay dentro de una pila siempre es la misma y lo único que cambia cada vez que se carga y se descarga es cómo están distribuidas estas partículas entre el cátodo y el ánodo. Teniendo esto en cuenta, ¿serías capaz de deducir si hay algo de verdad en la afirmación de que las pilas pesan más cuando están llenas?
Sí, creo que me ha quedado claro: las pilas no pueden pesar más cuando están cargadas porque no se les añade materia nueva en ningún momento, sino que simplemente tienen los electrones distribuidos de una manera diferente. Podemos pasar al siguiente tema...
Conclusión errónea, voz cursiva.
¿Qué? ¿Cómo puede ser?
Porque, técnicamente, una batería sí que pesa un poco más cuando está cargada.
Pero si acabas de decir que...
Lo sé, lo sé, pero es que existe otro efecto un poco más complejo que aún no he tratado, pero que es capaz de modificar la cantidad de masa que tienen las cosas, y, por tanto, su peso. De hecho, la causa de que las pilas pesen un poco más cuando están cargadas reside en una ecuación tan famosa que hasta la gente que más odia la física conoce: E = mc2.
Sí, sí, es la que dice que la energía contenida en un objeto en reposo equivale a su masa, multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado. No te enrolles.
Exacto, voz cursiva. Pues agárrate fuerte los pantalones, porque... ¡E = mc2 no es la forma que Albert Einstein usó originalmente para expresar esta relación, sino que empleó m = E/c2!
Ah... Eh, OK... Imagino que es un matiz superimportante, claro.
Lo es, porque significa que lo que Einstein quería reflejar con esta relación no es que la materia esté cargada de energía, sino que la masa de una cosa solo es un reflejo de la cantidad de energía que contiene. Dicho de otra manera, Einstein estaba sugiriendo que todo lo que nos rodea está compuesto por diferentes formas de energía, y que esa energía se manifiesta en forma de masa, que es una magnitud que simplemente refleja la inercia de ese cúmulo de energía concreto, o, lo que es lo mismo, cuánto esfuerzo hay que hacer para empezar a moverlo. O sea, que, según esta interpretación, todo lo que hay en nuestro entorno serían aglomeraciones de diferentes cantidades de distintos tipos de energía: desde una partícula subatómica, hasta este libro, pasando por nuestros propios cuerpos, un planeta o una estrella.
¡Ostras! ¡Entonces todos esos gurúes orientales tienen razón! ¡Todo es energía! ¡Nuestros cuerpos son energía! ¡Nuestro espíritu es energía! ¡Y seguro que podemos usar esa energía para hacer cosas como comunicarnos telepáticamente, hablar con los muertos o curar con las man...!
Ah, no, no, no, no, por ahí sí que no paso, voz cursiva. No confundamos términos. Aquí nadie está hablando de esa concepción abstracta de la energía que cierta gente utiliza para justificar cualquier creencia sobrenatural y cuya existencia no puede demostrar nadie. Einstein hablaba de los tipos de energía que se pueden sentir, medir y cuantificar, como la energía térmica, la energía eléctrica o la energía cinética.
Me explico.
En física, la energía es un concepto que tiene una definición muy clara: es «la propiedad que debe transmitir un objeto a otro para realizar un trabajo». ¿Y qué significa trabajo en este contexto? Pues es una magnitud física que, en resumidas cuentas, refleja «la capacidad para mover cosas de un lugar a otro».
Por tanto, cualquier fenómeno que sea capaz de producir un movimiento en su entorno estará transmitiéndole alguna forma de energía. Por ejemplo, el agua que pasa a través de los conductos de una presa tiene lo que se llama energía cinética (o «energía de movimiento»), porque es capaz de empujar y mover otros objetos. De hecho, las turbinas que hay en los conductos de las presas hidroeléctricas giran gracias a que el empuje del agua les transmite parte de la energía cinética del líquido en movimiento. A su vez, ese movimiento rotatorio hace girar unos potentes imanes alrededor de una bobina, y la fuerza que ejerce el campo magnético cambiante sobre los electrones que contienen los cables estimula su circulación a través de la red eléctrica. Y, ya en nuestras casas, esos electrones en movimiento agitarán los átomos de los filamentos de nuestras bombillas hasta volverlos incandescentes, girarán los motores de nuestras neveras o volverán a ordenar los electrones de las baterías de nuestros teléfonos para que podamos volver a usarlos.
Si os fijáis, todos los movimientos a diferentes escalas han sido provocados por la corriente de agua, así que, como está claro que ha llevado a cabo un trabajo, podemos afirmar que el agua en movimiento posee energía.
Espera, espera, déjame pulsar el botón de pausa un momento. ¿A qué te refieres con que la corriente «vuelve a ordenar los electrones de nuestros móviles»?
A que las baterías de nuestros teléfonos son recargables. Como hemos visto, una pila normal se agota en cuanto todo el material disponible para reaccionar químicamente se agota y deja de ser capaz de generar dos regiones con un número dispar de electrones. Pero, en el caso de una batería recargable, esta situación se puede revertir conectándola a la corriente: simplificando mucho las cosas, el flujo de electrones va a «deshacer» la reacción química y devolverá esas sustancias a su estado original, permitiendo que vuelvan a reaccionar y a producir una corriente eléctrica.
Conviene señalar que todo este trasiego químico que se produce durante cada ciclo de carga y descarga va desgastando las baterías poco a poco, ya que, durante el proceso, a veces tienen lugar reacciones químicas entre las sustancias equivocadas que no se pueden revertir. Como resultado, la cantidad de electrones capaces de circular entre el cátodo y el ánodo irá disminuyendo con el tiempo, y el rendimiento y la duración de la batería se verán afectados.
Sí, creo que eso lo habrá notado cualquier lector que tenga un móvil viejo. Pero ¿este desgaste no se puede prevenir de alguna manera?
Este desgaste químico es inevitable por el mero hecho de que la reacción nunca será perfecta, pero sí que se pueden tomar varias medidas para reducir su impacto y alargar la vida de las baterías. Por ejemplo, en un artículo de Popular Science1 recomiendan que carguemos nuestros dispositivos electrónicos antes de que la batería se agote del todo (a ser posible, antes de que el nivel de batería baje del 20 %), y evitar cargarlos hasta el cien por cien, además de dejarlos conectados durante el menor tiempo posible a la corriente en cuanto la batería esté totalmente cargada. Eso sí, también dicen que es conveniente dejar que la carga de la batería baje hasta el 5 % una vez al mes para que los sistemas electrónicos del dispositivo se puedan calibrar y sigan mostrando una estimación fiable de la carga restante.
Por otro lado, también ayuda utilizar siempre el modelo de cargador original que venía con el teléfono u ordenador, porque es el que está ajustado a las características particulares de su batería. Además, también está bien proteger el móvil de temperaturas extremas, ya que tanto el frío como el calor intenso estimulan ciertas reacciones químicas en el interior de la batería que degrada las sustancias que producen la corriente.2
Vale, basta ya, que el capítulo se está convirtiendo en un artículo de «trucos para...».
Tienes razón, voz cursiva, estábamos hablando de energía.
La cuestión es que casi todos los tipos de energía que encontramos en nuestro día a día son energía cinética encubierta. Por ejemplo, la energía térmica de un objeto se incrementa cuando se calienta, pero, como la temperatura no es más que un reflejo de lo rápido que se mueven las partículas, lo que está aumentando, en realidad, es la energía cinética de los átomos o las moléculas individuales que componen el objeto. Durante una reacción exotérmica, como una combustión, ocurre algo similar: cuando dos átomos se combinan, la energía química contenida en sus enlaces se libera en forma de movimiento y radiación electromagnética, que sacuden a las moléculas vecinas y las aceleran, aumentando también su temperatura. O sea, que cuando se considera que la mayor parte de las formas de energía son manifestaciones diferentes de la energía cinética a nivel microscópico, no es tan difícil entender por qué unas formas de energía se pueden transformar en otras.
Teniendo esto en cuenta, una de las cosas que nos dice la fórmula original de Einstein (m = E/c2) es que, si la energía de un objeto (E) aumenta, también lo hará su masa (m).
Espera, espera... ¿Significa eso que la energía cinética que gano cuando me muevo muy deprisa hace que mi masa se incremente?
Efectivamente, voz cursiva. Hablaré con más detalle sobre este fenómeno en el capítulo 21, pero, de momento, nos basta con saber que la masa de un objeto se incrementa junto con su energía, precisamente porque los objetos que nos rodean no son más que cúmulos de energía, y la masa solo es un reflejo de la inercia que poseen.
Si aplicamos todo este paripé a los electrones de las baterías, resulta que la masa de una batería cargada sí que es ligeramente mayor que la de una descargada porque sus electrones poseen más energía potencial (ya que todos están disponibles para migrar del cátodo al ánodo).
No lo entiendo. ¿Por qué la batería tiene más energía cuando está cargada, si los electrones aún no se están moviendo y, por tanto, no están realizando ningún trabajo?
Porque, aunque cada electrón individual tiene la misma energía cuando está quieto, sin importar el lado de la pila en el que se encuentre, el sistema que forman los electrones con el resto de la batería sí que tiene más energía cuando están todos concentrados en el cátodo y con ganas de ocupar los huecos que hay en el ánodo, igual que ocurre en el caso del agua de una presa que está lista para fluir hacia una altura más baja en cuanto se abran las compuertas. Esa energía adicional que tiene una pila cuando está cargada, aunque no haya ningún electrón en movimiento, es la energía potencial que hace que su masa sea ligeramente mayor que cuando está descargada.
¡Lo sabía! ¡Entonces las pilas cargadas pesan más! ¡La intuición siempre vence a la ciencia!
Bueno, tampoco te flipes, voz cursiva, porque la diferencia entre la masa de una batería cargada y otra gastada es imperceptible. Por ejemplo, podemos usar la fórmula de Einstein para calcular que una pila AA de 1,5 voltios debería pesar solo 0,15 nanogramos más cuando está cargada que cuando se gasta. Como referencia adicional, esta diferencia sería solo de unos 0,4 nanogramos en el caso de una batería de teléfono móvil medio.
Humm... Y 0,15 y 0,4 nanogramos no es mucho, ¿verdad?
Pues la masa de una célula humana media ronda un nanogramo...3 Así que tú me dirás si crees que existe alguien en el mundo que pueda notar esa diferencia, voz cursiva.
Bueno, a lo mejor...
No, no existe. Es imposible.
Si, pese a todo, sigues convencido de que tienes algún tipo de don que te permite distinguir si una pila está cargada por su peso, te propongo un experimento: recoge unas cuantas pilas gastadas y nuevas del mismo tipo y marca, mételas en un recipiente y menéalo un rato para que queden todas bien mezcladas. A continuación, ve sacando las pilas de una en una y sepáralas en dos montones, en función de si crees que están cargadas o no. Finalmente, usa un voltímetro para comprobar en cuántos casos has acertado.
¿Y qué pasa si formo parte de ese gran porcentaje de la población que no tiene un voltímetro en casa? ¿Cómo lo hago?
Pues, al parecer, la carga de una pila se puede comprobar muy fácilmente dejándola caer en vertical desde una altura de unos pocos centímetros: como las reacciones químicas que tienen lugar dentro de las pilas producen hidrógeno a lo largo de su vida útil, una pila gastada contendrá mucho más gas en su interior que una nueva, y rebotará mucho más alto cuando golpee el suelo. De esta manera, podrás distinguir unas de otras.
¡Eh, espera! ¡Acabo de comprobar los resultados y parece que he acertado la mitad de las pilas! ¡Chúpate esa, tirano escéptico! ¡Parece que aún hay lugar para los poderes sobrenaturales que la «ciencia» no puede explicar!
Voz cursiva, eres consciente de que la probabilidad de acertar si una pila está gastada o no es del 50 %, ¿verdad?
Sí, claro.
Entonces, ¿no crees que el hecho de que hayas acertado con la mitad de las pilas es lo más normal del mundo? ¿No crees que, para demostrar que tienes algún tipo de superpoder, deberías demostrar que eres capaz de acertar en el 80 % o el 90 % de los casos una y otra vez, como mínimo?
Eh... Bueno... No sé, tal vez. Oye, ya has despachado todo lo que tenías que explicar en este capítulo, ¿no? ¿Por qué no cambiamos de tema?
Sí, corramos un tupido velo. De hecho, aunque haya resultado que el lector que me envió el correo electrónico no tiene superpoderes, la información sobre corrientes eléctricas que acabamos de aprender gracias a él nos va a resultar muy útil para saber por qué ocurren los calambrazos cotidianos que vamos a tratar en el siguiente capítulo.