La electricidad en el proceso de galvanoplastia. Parte 1

La electricidad, tal como es usada en el proceso de recubrimiento electrolítico es una magnitud dinámica, es decir una magnitud de "velocidad de flujo", en este caso el flujo es la corriente o número de cargas eléctricas por segundo que atraviesan una superficie.

Los procesos galvanotécnicos se han modelado matemáticamente a partir de ciertas leyes y conceptos físico-químicos y formulaciones que permiten determinar una conformación (set-up) de proceso para cada necesidad específica de material base, sustrato, material a depositar, química de la solución electrolítica (sales iónicas mas catalizadores), temperatura de proceso, tamaño del tanque y desde luego parámetros eléctricos del conjunto. Esa conformación de proceso (set-up) no solo establece la forma como se debe realizar el sumergimiento de las piezas en la solución (racks, barriles) y a que voltaje/corriente y durante cuanto tiempo hacer pasar esa corriente eléctrica a través de las piezas. Muchas veces influye además en el diseño de la pieza (diseño para metalizado), las fases previas al proceso electroquímico (limpieza, pre-treatment) y las fases posteriores al proceso en sí (post-treatment).

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Centrándonos mas bien en la parte eléctrica, un concepto que es clave a la hora de caracterizar y modelar un proceso particular es el de densidad de corriente, medido por lo regular en Amp/dm2 (Amperes por decímetro cuadrado), pero antes de eso, hay que definir que son los Amperes.

Amperes:

Un ampere es la cantidad de cargas eléctricas (medidas en Coulumb) que atraviesan una superficie por segundo (por tanto un Coulumb= 1 Amp-Seg). Entonces la densidad de corriente es la cantidad de cargas eléctricas que atraviesan por dm2 de superficie de una pieza a galvanizar, durante un segundo, en promedio. Desde luego al decir promedio aquí entran en juego muchos factores de diseño que determinan si esa cantidad de cargas eléctricas es o no uniforme sobre la totalidad de la superficie de la pieza, ya que como hemos visto, la forma de esta, puede influir en que en ciertas zonas específicas esta cantidad de corriente disminuya mientras que en otras aumente. El objetivo del Diseño para Metalizado por tanto será hacer lo mas uniforme posible la densidad de corriente durante el proceso de galvanoplastia o recubrimiento de las piezas para garantizar un depósito uniforme.

Voltios:

La forma de provocar una corriente eléctrica entre dos puntos es someter esos dos puntos a una "Diferencia de potencial". La diferencia de potencial es lo que se conoce coloquialmente como "Voltaje" y se mide en Voltios. Esa diferencia de potencial en conjunto con la corriente circulante que provoca entre esos dos puntos produce un efecto energético real que es medido como Potencia eléctrica (medida en Watts) y que es el resultado del producto de ambos parámetros.

Potencia eléctrica (W ó VA) = Voltios (V) x Amperes (A)

La energía consumida durante el proceso de circulación de corriente (movimiento de cargas) usando voltaje es producto de la potencia (W) por unidad de tiempo y se mide en Joules (1 J = W-Seg) y mas cotidianamente en Watt-Hr o KW-Hr (usando las conversiones correspondientes) que es la forma como la compañía de luz mide y factura la energía consumida.

Ley de Ohm:

Otro concepto igualmente importante al analizar la electricidad implicada en un proceso de recubrimiento electrolítico es la "Resistencia eléctrica".

La velocidad del flujo de cargas eléctricas (Amp) también llamada Intensidad de la corriente eléctrica es proporcional de manera directa al potencial aplicado (Voltaje) entre las dos partes entre las que circula dicha corriente (circuito eléctrico).

El factor de proporcionalidad entre ambos parámetros en un circuito está determinado por otro concepto inherente a las características fisicoquímicas del circuito llamada conductancia. La conductancia (g) es la facilidad fisicoquímica que un circuito ofrece al paso de la corriente eléctrica. En un símil con la física del movimiento, la conductancia sería la "rugosidad" de una superficie que le permite a un cuerpo "deslizarse" (corriente) de forma mas o menos fácil sobre esa superficie al aplicársele una fuerza impulsora (voltaje).

Aunque la conductancia es medible y útil, por alguna razón resulta mas intuitiva como concepto una característica que se deriva de esta y que de hecho es el inverso (R=1/g) llamada "Resistencia eléctrica" o simplemente "Resistencia", medida en Ohms, que por definición y derivada del concepto de conductancia, sería la "dificultad electroquímica" que un circuito ofrece al paso de la corriente eléctrica. A mayor dificultad (Resistencia) menor corriente circulará por el circuito aplicando el mismo voltaje. Básicamente la resistencia depende de las características fisicoquímicas del material por el que circula la corriente eléctrica dentro del circuito, en nuestro caso el conjunto de electrodos-solución iónica. Es proporcional directamente a la resistividad electrolítica de la solución y a la distancia entre los electrodos, e inversamente proporcional al área superficial del ánodo y el cátodo. Generalmente se requiere experimentación para determinarla en cada caso en particular, pero este valor se ira modificando conforme se vayan realizando mas y mas ciclos de recubrimiento por la degradación de iones en la solución y también en el ánodo que es el que aporta átomos sustitutos del metal a depositar.

De estos conceptos surge una fórmula que es famosa en el ámbito eléctrico llamada "Ley de Ohm"

I = V/R en donde I es la intensidad de la corriente eléctrica, V es el voltaje aplicado y R es la resistencia.

A mayor resistencia, menor circulación de corriente y por tanto mayor voltaje debe ser aplicado para hacer mover las cargas a través del circuito. (imagen 1)

Esta fórmula implica, desde el punto de vista práctico que podemos ajustar el voltaje o bien la corriente en un rectificador, pero no ambos. Uno de los dos parámetros terminará definido o establecido por el factor que los relaciona a ambos, osea la resistencia de la carga. En este caso la resistencia del conjunto electrolítico compuesto por los cables de conexión, las barras de contacto, los electrodos y la solución electroquímica. Esta idea es importante a la hora de comprender porque un Rectificador de Corriente Directa diseñado especialmente para este tipo de aplicaciones es una mejor alternativa que una fuente de energía cuyo diseño esta orientado a otros campos, pero eso lo veremos posteriormente.

La celda electroquímica como circuito eléctrico:

Como ya hemos visto y recordaremos constantemente, la celda electroquímica a la que se somete una pieza para ser recubierta electrolíticamente (galvanizada) es por definición un circuito eléctrico, que consta de una fuente de voltaje/corriente (rectificador) cuyos puntos de contacto (puntos de potencial eléctrico) son los electrodos (uno de los cuales es en sí la pieza a recubrir) y cuyo circuito está formado por la sal iónica en la que se sumerge dicha pieza. La sal iónica y el conjunto completo por tanto tienen una resistencia eléctrica inherente que depende de su conformación y que como veremos después, va variando conforme se va realizando el proceso de depósito de electrones en la pieza de trabajo. En el caso de un circuito conformado por una solución electrolítica aparecen otros fenómenos que le son inherentes, como por ejemplo el voltaje o tensión de polarización o fuerza contraelectromotriz que mas adelante explicaremos con ejemplos para entender de que se trata.

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Dicho esto, diremos que en posteriores artículos desmenuzaremos un poco mas estos conceptos con la idea de llegar a un procedimiento matemático útil para calcular la corriente y voltajes necesarios para alcanzar el objetivo de recubrir un objeto con un metal particular. Antes de eso entregaremos algunos conceptos adicionales para analizar una conformación o set-up electroquímico que nos ayuden a entender la importancia del Rectificador de Corriente Directa en el proceso de recubrimiento electrolítico. Recordemos que un Rectificador de Corriente Directa es un dispositivo que convertirá la energía eléctrica alterna que se entrega mediante la red pública en energía eléctrica de forma que la corriente circule solamente en una dirección y bloquee la circulación en la otra dirección. En el caso de aplicaciones electrolíticas por lo general los electrones fluirán desde el cátodo (borne negativo) hasta el ánodo (borne positivo) a través de la solución electrolítica. Por lo regular esa solución contiene iones positivos (átomos con "falta" de electrones del metal recubridor) de forma que mediante una reacción química inducida al paso de la corriente eléctrica, los iones son "atraídos" hacia la pieza a recubrir, cuyo material superficial la cual aportará esos electrones "faltantes" produciéndose el efecto de adherencia o recubrimiento. (imagen 2)

Otros temas adicionales que mostraremos en futuros artículos relacionados con la electricidad en el proceso de galvanoplastia son:

Circuitos en serie y en paralelo

La fuente de voltaje y la fuente de corriente

Corriente continua y corriente alterna

Celda electroquímica. Tanques, conformación de conexiones barra y bus (rod and bus), tipos y materiales de electrodos, etc.

Disociación electroquímica

Electrolitos

Ley de Faraday

Relación entre materia depositada y corriente de circuito

Escala de tensiones

Voltaje de polarización (fuerza contraelectromotriz)

Perdida de tensión por incremento de la resistencia del electrolito

Polarización de concentración y pasivación anódica

Etc.

Eso sería todo por hoy, lo invitamos a visitar nuestro catálogo en línea donde podrá verificar las diversas alternativas en Rectificadores de Corriente Directa para galvanoplastia y procesos de recubrimiento electrolítico que pueden cubrir sus requerimientos particulares de proceso. Por lo pronto nos vemos en la próxima entrega.  

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Imagen 1: Atribución:Matt Rider, CC BY-SA 3.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0>, via Wikimedia Commons.  https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ohm%27s_Law_Pie_chart.svg