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jueves, 20 de marzo de 2014

Pila eléctrica casera. 4.5 voltios

Hay una infinidad de tipos de pila eléctrica hechos con materiales fáciles de obtener. Casi siempre involucran los mismos materiales: Un par de metales distintos que harán el papel de electrodos (uno de ellos se corroe, se gasta y la pila se agota) y un electrolito que consiste en un líquido (pila húmeda) que puede ser a base de vinagre, zumo de limón, agua con distintos añadidos e incluso hay versiones "secas" como la conocida versión de pinchar una patata con dos metales distintos.

Nueva versión de pila de agua y sal con electrodos de cobre y magnesio.
1,5 voltios por vaso. 4,5 voltios entre los tres. El doble que la anterior

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Nueva versión

Uno de mis primeros vídeos trata sobre este tipo de pilas. Allí monté una pila formada por tres elementos. Cada "elemento" era un tupper, y en cada uno de ellos había un electrodo de cobre, un electrodo de zinc y un electrolito formado por agua, sal y un poco de agua oxigenada. Daba 0,8 voltios por vaso (2,4 voltios en total porque habían tres vasos conectados en serie).

En esta nueva pila que presento ahora se mantiene todo exactamente igual excepto una cosa: El electrodo negativo que antes era de zinc, ahora será de magnesio. Esto supone un incremento en el voltaje: Ahora serán 1,5 voltios en lugar de 0.8, prácticamente el doble de tensión. Es una gran ventaja, pues para obtener 4,5 voltios serán suficientes tres elementos o vasos (1,5 voltios x 3 = 4,5 voltios) mientras que en la versión anterior, para obtener esos 4,5 voltios hubieran sido necesarios el doble: Seis vasos.



¿Cómo obtener mas tensión, mas voltios?

Para obtener mas tensión no se puede hacer nada en la pila. Cada tipo de pila, cada tipo de química tiene un valor de tensión intrínseco y no se puede cambiar. La tensión dependerá de qué tipo de metales utilices como electrodos. No sirve de nada aumentar el tamaño de los electrodos, ni poner mas electrolito, ni añadir mas sal al electrolito, ni aumentar el tamaño de la pila...

La pareja cobre-zinc es bastante buena con sus 0,8 voltios por vaso y son metales fáciles de encontrar. Pero resulta que si utilizamos magnesio (en lugar de zinc) como electrodo negativo, tendremos 1,5 voltios en cada vaso, es decir, casi el doble que con el zinc.

Si no tenemos suficiente tensión con ese voltio y medio, podemos recurrir a montar varios vasos y disponerlos en serie: Se sumarán las tensiones. En este caso, vamos a montar la pila con tres vasos y obtendremos 4,5 voltios en total. Unir pilas en serie es la solución que se adopta en la industria y en las pilas comerciales para obtener mayor tensión. No hay pilas de "nueve voltios": En realidad son 6 minipilas de 1.5 voltios montadas en serie y recubiertas por un estuche que le da apariencia de ser UNA SOLA pila cuando en realidad son SEIS.

Lo mismo para las baterías de plomo de automoción. Cada acumulador de plomo genera entre 2 y 2,3 voltios. Para conseguir 12 voltios se ponen seis acumuladores en serie.

No hay otra forma de elevar la tensión (voltaje) en pilas y baterías, a no ser que recurramos a la electrónica (inversores) pero esto ya es otro asunto...



Entonces, ¿No tiene ninguna ventaja hacer la pila mas grande?

Si. Tiene ventajas, pero no para la tensión (voltaje) sino para la intensidad. 

Con una pila mas grande podremos hacer funcionar un dispositivo que tenga más consumo, mas potencia, por el cual circule más intensidad. Y además también ganamos en otra prestación: La pila durará mas. Aumentará su autonomía.

De esto tenéis un claro ejemplo en la popular pila de 1,5 voltios: Hay al menos 4 tamaños de este tipo de pila. La tensión es invariable: 1,5 voltios. Pero los modelos mas grandes de pila pueden hacer funcionar a un equipo durante mas tiempo.



Lista de componentes

Necesitaremos:

3 tuppers del tamaño mas o menos de un vaso
3 trozos de cobre. Lo mejor, tubería de buena sección
3 trozos de tubo de PVC, como separadores (no imprescindible)
3 trozos de magnesio (obtenidos de un "ánodo de sacrificio")
3 cáncamos pequeños
1 litro de agua (vale la del grifo)
2 cucharadas de sal común, sal de mesa, cloruro sódico
15-25 centímetros cúbicos de agua oxigenada (2 cucharadas colmadas)
4 cables con pinzas de caimán en sus extremos
1 dispositivo que funcione a 4,5 voltios para probar (motor, linterna, radio...)

Vamos a ver un poquito de información más sobre los componentes:


Tuppers:



Serán los recipientes que contengan los materiales de la pila. Deben ser de material aislante: Plástico, cerámica, cristal... No usar metales o materiales conductores. Procura que su tamaño sea acorde al de los electrodos.







Cobre


Como en la versión anterior, un trozo de cobre será el electrodo positivo en cada pila. Es importante que no nos den gato por liebre. Debe ser cobre-cobre, del utilizado en las cañerías de agua. Material muy utilizado en fontanería.

El mejor formato es el tubo hueco como el de la foto. Usar un diámetro generoso nos dará mas intensidad (mA) y permitirá disponer los otros elementos (separador y magnesio) en su interior.

Yo conseguí un buen trozo de esta tubería de cobre en una chatarrería a un precio razonable.

Hay que asegurarse de que el cobre no esté recubierto de óxido o suciedad. Si fuese necesario lo lijaremos. La taladradora con una herramienta de cepillo metálico es muy cómoda y rápida para esto. El cobre quedará brillante.

En el funcionamiento normal de la pila, el cobre no se gasta, no se corroe. Simplemente se recubre de óxido. Cuando veamos que está en mal estado, simplemente volvemos a lijar su superficie (interior y exterior) y quedará listo para un nuevo uso.

Para hacer las conexiones le soldé un cable con estaño. Otra opción mas sencilla e igualmente válida es ponerle -en el borde- un cable con pinza de caimán cuando vayamos a hacer las conexiones en la pila.


Tubo de PVC, separador



Hay poco que decir sobre este componente: Su función es impedir que cobre y magnesio se toquen entre sí lo que ocasionaría que la tensión en ese vaso caiga a cero. 

Importante es hacer esos taladros en las paredes de estos separadores para permitir a las corrientes de iones circular libremente. El tubo es de 40mm de diámetro.




Electrodos de magnesio


El magnesio lo vamos a obtener de un "ánodo de sacrificio" de los utilizados en calentadores eléctricos. Lo puedes encontrar en una tienda de repuestos de electrodomésticos de la "línea blanca": Lavadoras, lavaplatos, neveras...

También puedes extraerlo de un calentador en la chatarra siempre y cuando se encuentre en un estado razonable de conservación.

Este ánodo de sacrificio hace honor a su nombre: Él mismo se corroe salvando así a otros metales mas valiosos de ser corroídos. Esta barra de magnesio tiene 40 cm de largo. 

La de la foto es la mitad que resultó después de haber cortado los tres trozos que necesitábamos para este proyecto.

Es macizo, es decir, no se trata de un baño superficial. Toda la barra es magnesio. Me costó 6 euros. Aunque parece mucho, hay que tener en cuenta que es casi un Kg de magnesio. Tenemos para 6 electrodos de 65 mm de largo y con todo su grosor (realmente grande). Como usaremos 3 electrodos para este experimento, aún nos sobrarán otros 3 electrodos para otro uso. Y cada juego de tres electrodos tienen pinta de durar mucho teniendo en cuenta su grosor, pues no se trata de una simple lámina.

La única parte que considero trabajosa en este proyecto es cortar los tres trozos a 65 mm que necesitamos de esta barra. Podemos hacerlo con una sierra manual para metales. Esta medida de 65 mm es ideal porque nos permite dividir esta barra en seis trozos.

Una vez cortados los tres trozos de magnesio nos damos cuenta que no es posible aplicarles una pinza de caimán ni ninguna otra forma de conexión. Un recurso es hacer un pequeño taladro en un extremo y adosarle un herraje de tipo cáncamo: Ahí podemos aplicar los cables de conexión.


Electrodos de magnesio con su cáncamo para la conexión.


Cáncamos pequeños:


Este herraje resulta ser muy útil para hacer posible el conectar algún cable a los electrodos de magnesio. Mejor que sea pequeño: Cumplirá su función igualmente y así tendremos que hacer un taladro pequeño en el magnesio que, aunque no es muy duro, no es fácil de taladrar con medios domésticos.





Electrolito



Usaremos agua del grifo (no importa que sea agua dura). Para un litro de agua añadiremos:

- Dos cucharadas soperas de sal común, sal de cocina.

- Un par de cucharadas soperas de agua oxigenada de uso sanitario.

Y mezclamos para diluir



Sobre la sal: Su función es hacer más conductora al agua. Es bastante inútil aumentar la cantidad de sal para "mejorar" las prestaciones de la pila. No conseguiremos ninguna mejora, pero sí haremos el medio demasiado salino y desgastaremos prematuramente el magnesio.

Sobre el agua oxigenada: Su papel es servir de "despolarizante". Veremos mas sobre esto al final de este artículo.


Cables de conexión




Las conexiones se pueden hacer enrollando el cable en cada contacto, pero lo más práctico es tener a mano cables con pinzas de caimán en sus extremos. Si optas por esta solución necesitarás cuatro cables: Dos para la batería (unir los tres vasos) y dos para conectar la batería al dispositivo elegido.





Dispositivo para probar la pila



Puedes usar cualquier cosa que se te ocurra siempre que su voltaje de funcionamiento se adapte al de la pila. Esta versión de pila con tres elementos proporciona 4,5 voltios. 

El de la foto es un motor de mecánica de CD que funciona a partir de 2 voltios y admite esos 4,5 voltios sin romperse.






Montaje

Una vez reunidos los componentes el montaje es muy rápido:

1. Ponemos en cada vaso: Cobre, separador y magnesio

2. Conectamos el magnesio de la primera al cobre de la segunda. El magnesio de la segunda al cobre de la tercera. Quedarán libres: Un cobre en la primera (será el polo positivo de la batería) y un magnesio en la tercera (el polo negativo de la batería)

3. Añadimos el electrolito a los vasos.

Nada más comenzar a llenar el tercer vaso, la batería empezará a entregar tensión de forma inmediata.



Cuando terminemos de utilizar la batería...

Dado el gran tamaño del electrodo de magnesio es fácil que después de haber utilizado la batería, dichos electrodos aún estén intactos o muy poco gastados, lo que nos permitirá usarlos muchas veces. 

Para conservar la batería en vistas a un nuevo uso haremos esto:

1) Sacamos fuera de la batería los electrodos de magnesio, los enjuagamos con agua y los secamos

2) Hacemos lo mismo con los electrodos de cobre

3) Enjuagamos los separadores de PVC

4) Desechamos el electrolito

5) No está de mas enjuagar también los vasos o tuppers

Cuando vayamos a montar otra vez la batería echaremos un vistazo a los electrodos de cobre. Si los vemos oxidados o el cobre aparece muy "apagado" por estar recubierto de alguna sustancia, lo lijaremos para que ofrezca su superficie al electrolito.



Prestaciones

Según veis en el vídeo, las prestaciones son:

- Tensión: 4,43 voltios, es decir: 1,47 voltios por vaso.

- Intensidad máxima (cortocircuito): 205 mA. Si la condición de cortocircuito se mantiene, la intensidad disminuye lentamente (totalmente normal).

La autonomía no la he comprobado y dependerá en gran manera de la carga que se le conecte. No es lo mismo alimentar un diodo led que... nueve.

Pero me aventuro a decir que la duración será extraordinaria para tratarse de una pila casera, pues a diferencia del zinc, no se trata de una fina película de zinc (y aún así duraba horas) sino de un grueso y macizo electrodo de magnesio.




Si tu batería se niega a funcionar...

Si montas esta batería y no te funciona, comprueba:

- los vasos deben ser de material aislante
- los electrodos de cobre y magnesio no deben tocarse entre sí.
- los cables para hacer las uniones deben hacer buen contacto.
- Que el cobre sea realmente cobre
- Después de guardado un tiempo, el cobre tiene tendencia a oxidarse superficialmente. El óxido es aislante. Un cable que simplemente roce al cobre no tiene porqué estar haciendo un buen contacto. Cuidar esto. Lijar el cobre si es necesario. Debe ofrecer una superficie brillante.

Este es un proyecto sencillo y tiene que funcionar, si o sí...




El fenómeno de la polarización

Cuando pones una pila a funcionar se producen reacciones químicas en su interior entre los electrodos y el electrolito. Algunas de esas reacciones son las reacciones útiles que nos dan la electrididad. Pero otras reacciones generan subproductos que envuelven a uno de los electrodos y lo aíslan, ya que esas sustancias generadas no son buenas conductoras de la electricidad. La pila entonces baja su rendimiento o incluso deja de funcionar.

Se dice entonces que la pila se ha "polarizado".

En este tipo de pila húmeda la polarización ocurre cuando se forman burbujas de gas hidrógeno que se adhieren al polo negativo (magnesio). El hidrógeno gaseoso es aislante de modo que a los pocos segundos la pila deja de funcionar.


Agua oxigenada como DESPOLARIZANTE en esta pila

La solución consiste en añadir al electrolito una pequeña cantidad de agua oxigenada que tiene mucha afinidad por el hidrógeno gaseoso. Se combina con él y lo hace desaparecer como burbuja. El magnesio se ve entonces libre de ese hidrógeno y la pila funcionará a plena potencia.

No es mucha la cantidad de agua oxigenada requerida. Para esta pila es suficiente con verter 15-25 cc en el litro de agua que usaremos para hacer el electrolito.




¿Cuánto dura esta pila?

Esta pila tiene varias "duraciones".


Por un lado, tenemos el hecho de usarla durante un rato, digamos una hora o dos... ¿Qué hacemos a continuación? Si no la vamos a usar pronto, lo mejor será desmontarla para preservar la vida de los electrodos: Vaciamos el agua, enjuagamos los electrodos, los secamos y guardamos todo.

Si la vamos a usar durante muchas horas seguidas, esta batería se ha comportado así:

Con un consumo de 50 mA (una lámpara de 9 diodos led de alto brillo) dura unas seis horas a plena potencia. A partir de ahí, el brillo de la lámpara comenzó a decaer. La batería recobra su fuerza original reponiendo un poco de agua oxigenada en cada vaso. Hay que tener en cuenta que el agua oxigenada se gasta al combinarse químicamente con el hidrógeno gaseoso que se genera en el electrolito. Con esto tendremos para seis horas mas.

Pasadas esas seis horas vuelve a ocurrir lo mismo: Baja el brillo de la lámpara. Volvemos a reponer - por segunda vez- un poco de agua oxigenada, lo que nos dará otra vez unas seis horas.

Llegados a este punto, si vamos a seguir usando la pila, recomiendo reponer el electrolito, es decir, poner agua y sal nueva con su agua oxigenada.

Otra "duración" de esta pila es la del electrodo de magnesio. En el test al que se sometió la pila, los electrodos no vieron reducido su tamaño, no al menos de forma medible. Y eso a pesar de estar casi 24 horas funcionando sin parar. Sólo se apreciaba una leve corrosión supercial sin pérdida aparente de masa.

Es de esperar que, con el tiempo, el magnesio vaya reduciendo su tamaño (por corrosión) hasta llegar a quedar convertido en un fino alambre, y entonces debe ser sustituido. Haciendo cálculos a ojo, si después de 24 horas de uso no se ve desgaste, estos electrodos de magnesio, con sus 26 mm de diámetro pueden durar muchos días de uso, quizás veinte...o más.
El vídeo sobre cómo hacer la pila:







Vídeo sobre la autonomía o duración de esta pila




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27 comentarios:

  1. Excelente entrada. Gracias por compartir!

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  2. ¿Se podría cargar el móvil agregando una pila más?

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    1. Necesitarias mínimo 5 voltios, y una intensidad de al menos 700mA que es lo que tienen los cargadores mas bajitos, quiás como mínimo 500mA. Puedes probar, pero tardaría siglos en cargarlo o se te vendría abajo la pila.

      La solución esta en poner varias de ellas en paralelo en grupos de 3 o 4 y con su correspondiente circuito de regulador de voltaje.

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  3. Hola.
    Me ha llamado particularmente la atención lo de la medición dee la intensidad máxima que da la pila, poniendo el amperímetro, como tú dices, en "cortocircuito" con la pila. Y esti me lleva a una duda e ignorancia que llevo arrastrando muchos años. A ver si me puedes ayudar a despejarla, o matizarla. Lo que indicas como amperímetro en cortocircuito con la pila, para mí siempre ha sido poner el amperímetro en paralelo con la pila. Y no recuerdo el por qué, pero me quedé con la norma de que un amperímetro nunca se podía poner en paralelo, sino siempre en serie. Porque se averiaba el amperímetro. Ésa quizá es la ignorancia que menciono. Nunfca me he atrevido a ponerlo en paralelo, en cortocircuito, con nada. Siempre en serie. Pero con eso, tenía la "eterna" duda de cómo medir la carga (mA) de una pila. Si usando una resistencia de valor "?" para hacer de carga y con el amperímetro en serie. Siempre he querido y necesitado saber la carga o capacidad que le quedaba a una pila comercial, y en especial a las recargables, que se van estropeando con el uso, con el mal uso, con el desuso... ¿?, y cada vez duran menos. Así que ahora veo que quizá pueda medir los mA de una recargable, justo después de terminar de recargarla, poniendo un amperímetro en cortocircuito / en paralelo con los terminales de la pila para ver cómo está de "sana". ¿Se puede hacer así? También te propongo que nos hables de las pilas y baterías recargables. ¿Cómo usarlas? ¿Cómo cuidarlas? ¿Cómo almacenarlas para no usar un tiempo: recién cargadas al 100%, descargadas, etc.? Yo las descargo "completamente" con una linterna, antes de recargarlas. ¿Hago bien? Muchas gracias, como siempre, por todo lo que haces. Francisco.

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    1. Se mide con un amperimetro, el amperimetro tiene una resistencia interne pequeña que no afecta a la medición, así sabrás la intensidad de corriente electrica maxima que entrega... si le pones una resistencia sólo mides la corriente electrica que "consume" esa resistencia. los mAhora, es la vida útil de la bateria, es decir, cuantas horas funcionará en teoria la batería si la conectas a algo que "consuma" tantos amperes

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    2. Eso lo decian los profesores de electrónica cuando medias con el tester, pero aquí en realidad el tester esta en serie no en paralelo, porque para estar en paralelo debería haber algún componente mas o cable o algo.
      De todas maneras los multímetros traen un fusible para proteger el aparato de una corriente excesiva. Por el mio pueden pasar 10 amperios sin problema y estas pilas no llegan ni de lejos a esa intensidad, asique nunca destruirían el amperímetro.

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  4. como siempre genial,
    podrías subir algún dia algo de reciclaje de electrónica, que podemos recuperar de un tv una radio u PC etc... ó lo encontremos tirado que suelen ser muchas cosas, merece la pena??
    un cordial saludo

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  5. Hola:

    Mi primer reto es conseguir ese tubo de magnesio, ejejeje. Una pregunta que quiero hacerte. Cuando consigas los 12 V. reales o un poco más. Intenta usar un inversor de coche, su entrada es de 12 VDC y su salida es de 230 VAC. Ahí puedes conectar hasta una bombilal de 230 VAC reales sea de bajo consumo, Led o las de antes. Este reto lo voy hacer cuando me funcione lo básico mostrado en el vídeo. ;)

    Un saludo.

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  6. Voy a citar una respuesta que he encontraddo por internet:

    "Los mA-hora de una batería lo que indican es su capacidad, la cantidad de energía que acumulan. Así una batería de 500 mA-h si alimenta una carga de 100 mA, durará 6 horas, o si por el contrario alimenta una carga de 1.000 mA (1 A) durará media hora. No se puede medir de otra forma que no sea poniéndole una carga conocida (mA) y medir el tiempo que dura. Si le conectas un amperímetro directamente (como parece que tú has hecho) solo mides la corriente de pico que suministra, y muy posiblemente la destruyas. Aunque tengan el mismo tamaño, pueden tener capacidades muy variadas, lo que si está siempre en razón directa con la capacidad es el precio!. Imposible saberlo como no sea como te he dicho antes. La cargas y la descargas sobre una carga conocida y mides el tiempo que dura."

    Fuente: https://es.answers.yahoo.com/question/index?qid=20090218214355AAoThNX

    Sigo sin entender la medición de los amperios de la batería, cortocircuitando.

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    1. Se mide con un amperimetro, el amperimetro tiene una resistencia interne pequeña que no afecta a la medición, así sabrás la intensidad de corriente electrica maxima que entrega... si le pones una resistencia sólo mides la corriente electrica que "consume" esa resistencia. los mAhora, es la vida útil de la bateria, es decir, cuantas horas funcionará en teoria la batería si la conectas a algo que "consuma" tantos amperes.

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  7. Antes trabajaba con baterías de ácido de plomo en una empresa de UPS/SAI.
    Cuando veas una batería que diga 12 V / 7.0 Ah. Significa que la batería, en este caso ácido de plomo es de 12 V y te proporciona 7 Amperios por hora.

    Fuente:
    http://energicentro.blogspot.com.es/2007/08/el-amperaje-de-una-batera-la-cantidad.html

    Saludo.

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    1. Si dice 7Ah, 7 amper-hora.
      quiere decir que si tienes una motor o ampolleta que "consume" 7 amper, la pila durará sólo una hora, luego va disminuyendo hasta descargarse completamente.
      Esto es la vida útil de la carga, la cuál depende de la carga que le conectes, y también varia dependiendo de las temperaturas extremas.
      pero en teoría es así.

      7 Ah.
      si le conectas una lampara que "consume" 1 amper, entonces la pila tendrá una duración de 7 horas.
      si la conecta a una lampara que "consume" 1,5 amper, entonces la pila
      tendrá una duración de 4,6 horas.


      vida útil(horas) = Valor Nominal(Ah) / consumo (amper)

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  8. ! Excelente trabajo ! Gracias.
    Anoto varias ideas interesantes.
    Acabo de publicar una entrada sobre "la pila de limón" en:
    http://divulgadores.com/la-pila-de-limon/

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  9. Excelente gracias por compartir tus conocimientos y experimentos, saludos desde uruguay.

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  10. Hola me gustaria saber que peso tiene el anodo de magnesio, gracias

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  11. Hola que tal amigo, me da gusto saludarte y felicitarte por este experimento tan increíble, me surgen varias preguntas y estoy seguro que puedes ayudarme con una explicación, según los datos que recabaste con forme elaborabas este interesante trabajo.

    1. ¿Sabes cuales son los gases liberados de esta reacción, acaso es Hidrógeno o se trata de alguna otra?
    2. De acuerdo a tus observaciones y a las mediciones. ¿Crees que si la solucion se encuentra en en un flujo de movimiento constante, se produzca un cambio significativamente positivo en la duración de la pila?
    3. ¿Cuantas lamparas crees que se pueden alimentar en un tiempo ejemplo de una hora?
    4.¿Cuales son los otros materiales que se pueden utilizar para reemplazar tanto al cobre como al magnesio para un mejor trabajo?

    De antemano gracias. buen vídeo.

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  12. ¿La reaccion quimica es reversible si le aplicamos corriente?
    ¿Se cargaria?
    ¿El magnesio se precipitaria a su electrodo?
    Un saludo

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  13. mi pregunta es cuanto amperios me puede entregar una batería de agua con sal espero alguien me pueda responder.

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  14. hola el experimento me marca corriente en el voltimetro pero no enciende la lampara que hago mal?

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