Segunda sesión proyecto CAOS II: Experimento 1. Medición del potencial eléctrico de una maceta con suelo y con compost

Esta entrada pertenece a la segunda sesión del proyecto CAOS de investigación «Las plantas como fuente de energía eléctrica»

En este experimento vamos a medir el potencial eléctrico (también llamado voltaje) que existe en un suelo. Pero antes tenemos que recordar algunos conceptos básicos de electricidad:

• Corriente eléctrica: Es el flujo de carga eléctrica que recorre un material. En el caso de una pila electroquímica, la carga son los electrones que se producen en una reacción química. Su unidad es Coulomb (q).
• Potencial eléctrico (voltaje o diferencia de potencial, V): Es la magnitud física que describe el trabajo necesario para trasladar una carga eléctrica de un lugar a otro. Su unidad es Voltios (V).
• Intensidad de corriente (I): Mide el flujo o la cantidad de carga eléctrica por unidad de tiempo. Se mide en Amperios (A)
• Resistencia eléctrica: Es la oposición del material al flujo de carga que lo atraviesa. Se mide en Ohmios (Ω).
• Ley de Ohm: Es la relación de las tres variables comentadas antes. De dicha ley podemos deducir que el voltaje es proporcional a la intensidad de corriente que atraviesa un material y a su resistencia. Por otro lado, la intensidad de corriente será mayor cuanto más elevado sea el voltaje, pero se reducirá si el material presenta una alta resistencia. ¿Qué pasa si la resistencia es demasiado elevada? Pues que el material es “aislante”, es decir, que no deja pasar la corriente eléctrica.
• Pila electroquímica: Un sistema que permite recoger la corriente eléctrica producida en una reacción química. Se necesita un cátodo (donde se produce la reacción de reducción o captación de electrones) y un ánodo (donde se produce la reacción de oxidación o liberación de electrones) que estén unidos.

Con estos conceptos ya estamos preparados para hacer nuestro primer experimento cuyo objetivo fundamental es medir el voltaje de un suelo con y sin compost como fuente de materia orgánica.

¿Cómo lo haremos?

Necesitamos varias cosas, entre ellas:

1. Macetas: Usaremos de pequeño volumen (0,5 L)
2. Un suelo fértil
3. Un compost. Usaremos uno producido en un experimento anterior.
4. Un multímetro: Un instrumento electrónico capaz de medir vafriables eléctricas como el voltaje, la resistencia o la intensidad de corriente.
5. Cables de conexión eléctrica
6. Cátodos y ánodos: Usaremos tubos de cobre de 10 cm de largo y tornillos galvanizados (Zn)
7. Bombillas Led

Con la idea de comprobar si el contenido en materia orgánica afecta al potencial eléctrico, vamos a probar varios tratamientos:

• Macetas con suelo (S)
• Macetas con compost (C).
• Macetas con suelo y compost al 50% (S+C).

Procedimiento:

1. Rotulamos cuatro macetas para cada tratamiento:
   1. S (S-1, S-2, S-3 y S-4)
   2. C (C-1, C-2, C-3 y C-4)
   3. S+C (S+C-1, S+C-2, S+C-3 y S+C-4)
2. Rellenamos las macetas con el suelo y el compost hasta casi el borde.
3. Añadimos 30 mL de agua para equilibrar todas las macetas con la misma humedad.
4. Insertamos los electrodos (cátodo y ánodo) en cada maceta.
5. Medimos el voltaje de las macetas de forma individual y enlazadas en serie con los cables (ánodo-cátodo-ánodo-cátodo-…).
6. Realizamos la medida cada semana para ver si se mantiene en el tiempo.

Resultados

Prueba 1. Uso del multímetro con pilas.

Antes de empezar con el experimento, hacemos una prueba para familiarizarnos con el multímetro. Usamos pilas para medir su voltaje: una pila de 1,5 V, tres pilas de 1,5 V puestas en serie y una petaca de 4,5 V.

Comprobamos que las pilas están cargadas ya que el voltaje obtenido es similar al teórico (1,5V). También observamos que al unir las pilas de 1,5 V en serie el voltaje se suma llegando a valores esperados (4,5V). La pila de petaca da resultados similares, ya que está formada por tres pilas de 1,5 V en serie.

La conclusión es que si queremos conseguir un mayor voltaje en nuestro sistema, tendremos que poner las pilas en serie.

Prueba 2. Determinación del voltaje en las macetas individuales.

Una vez introducidos los electrodos en las macetas, medimos el voltaje en cada una de ellas con la ayuda del multímetro. Lo hacemos para las macetas de cada tratamiento y estos son los resultados:

Vemos que el voltaje mayor lo tenemos en las macetas con suelo (tratamiento S) y el menor en las que solo llevan compost (tratamiento C). El tratamiento combinado (C+S) tiene valores comprendidos entre los anteriores.

Muy interesante la diferencia, ¿a qué se debe? Tendremos que pensar un poco para responder a esta pregunta.

Prueba 3. Determinación del voltaje en las macetas individuales.

Hacemos lo mismo que antes pero conectando las cuatro macetas de cada tratamiento en línea. Con la ayuda de los cables, conectamos el ánodo con el cátodo de la primero maceta y este lo unimos al ánodo de la segunda y así hasta completar todas las macetas. Después, medimos el voltaje entre el ánodo de la primera maceta y el cátodo de la cuarta maceta. Estos son los resultados:

El valor obtenido es muy parecido a la suma de los voltajes de las macetas individuales, al igual que vimos en la prueba 1. Por lo tanto, hemos demostrado que conectando las macetas en línea conseguimos más voltaje.

Prueba 4. ¿Podremos encender una bombilla con nuestro sistema?

Tal y como hemos visto en la Ley de Ohm, para que haya corriente eléctrica (medida por la magnitud I) debe haber un voltaje adecuado y que no haya una gran resistencia.

Un suelo es un ente vivo donde habitan numerosos seres microscópicos capaces de realizar las reacciones químicas necesarias para generar los electrones implicados en la corriente eléctrica.

Con nuestro sistema será complicado encender una bombilla convencional al necesitar una intensidad de corriente importante. En el caso de las bombillas Led, estos requerimientos son menores. Para el caso de la bombilla Led verde, se necesita entre 1 y 2 V y 5-10 mA para que funcione.

Aunque el resultado fue sutil, se observa en la foto que con nuestro sistema de macetas (4 en serie) fue suficiente para encender un diodo verde. Su brillo fue más intenso con las macetas con suelo (tratamiento S), las de mayor voltaje, en relación con los otros dos tratamientos.

En resumen, el voltaje conseguido va de Tratamiento S> Tratamiento S+C> Tratamiento C