jueves, 31 de diciembre de 2015

Historia de la electricidad (X): Se domina al rayo. Economía aplicada a la electricidad



Benjamín Franklin (USA 1706-1790)

En este caso se da la combinación de ocupaciones habitual en los científicos de la época, político, director de correos, impresor, periodista, editor, congresista, padre de la independencia, embajador, físico. Solo le faltaba ser clérigo.

Compaginó su carrera política con la científica, que comenzaron casi a la par. Gran admirador de Addison y de Newton, es elegido en 1743 para presidir la Sociedad Filosófica Estadounidense, institución similar a la Royal Society británica, para la que también fue elegido como miembro en 1756, mientras que la academia de ciencias francesa le dio el título de mejor científico vivo en 1772.

Además de electricidad, se ocupó de muchas otras ramas de la ciencia, fue el primero en describir la corriente del Golfo, ideó el cuentakilómetros usado en la oficina postal para medir las distancias recorridas por los carteros, como las casas eran de madera los incendios eran habituales, por lo que ideó la chimenea de Pensilvania de la que deriva las estufas de leña metálicas actuales, para corregir su visión ideó las lentes bifocales, y entre otras cosas curiosas es el padre de las aletas de buceo o de un instrumento musical llamado armónica de cristal, que produce el mismo sonido al que se produce frotando el borde de una copa con el dedo.
Franklin tocando la armónica de cristal (fuente: sineris.es)


En 1747 se interesa en la electricidad y a partir de sus investigaciones aporta dos grandes avances en la materia, el mas conocido es el pararrayos, pero formula una teoría fundamental sobre las cargas eléctricas, la cual supuso el primer avance importante en la comprensión de la corriente eléctrica, pero es mas conocido por ser el inventor del pararrayos, aunque el solo postuló su idea y no llegó a construir el primero, pero es famoso por el experimento de la cometa.

El experimento de la cometa (fuente: wikipedia)

Postulaba que las tormentas eran fenómenos de tipo eléctrico, y su famoso experimento lo describió el mismo en su periódico, The Pennsylvania Gazatte, el 19 de Octubre de 1752, aunque seguramente se realizó el 15 de ese mes. Para demostrarlo voló una cometa que tenía su estructura de metal con una punta afilada, manejada a través de un cordel en cuyo extremo ató una llave, y remató el hilo con uno de seda no conductora, aconsejando permanecer en una casa tras una ventana sujetando el hilo de seda, para evitar que esta se mojara y volviera conductora. Cuando la cometa subió lo suficiente las cargas se recogían en la estructura y a través del hilo mojado llegaban a la llave y salían en forma de chispas por sus puntas (ver la beatificación eléctrica). Realmente tuvo mucha suerte, ya que el hilo cubierto de agua de la humedad y la lluvia es un buen camino para que los rayos pueden saltar usando el hilo hacia la mano del que maneja la cometa, lo que de echo sucedió cuando en 1753 moría por repetir el experimento el ruso Georg Wilhem, encargado del observatorio astronómico de la Academia de Ciencias de San Petersburgo.

Dijo que si se ubicaba una Botella de Leyden en contacto con la llave podría recogerse esa electricidad, aunque no realizó este experimento, pero si sugirió la forma de hacerlo sin el peligro de sujetar el hilo, sabiendo que la electricidad acude a las puntas, sugirió sujetar una barra metálica afilada a un poste, y recoger la electricidad en la base, aislada de tierra mediante una estructura de madera.

Esta idea realmente fue desarrollada en Francia, en mayo de 1752, en la pequeña ciudad de Marly-La-Ville por Thomas-François Dalibard y Georges-Louis Leclerc, Conde de Buffon, sobre una torre de madera ubicaron una barra metálica puntiaguda de 12 metros, conectada a una botella de vino en la base para comportarse como botella de Leyden. Esperaron una tormenta, y cuando se presentó el rayo golpeó la barra, y un ayudante que se acercó demasiado recibió una fuerte descarga.
Experimento en Marly-la-Ville (fuente: sciencephoto.com)

A partir de la existencia de los dos tipos de electricidad descritos por Du Fay (ver entrada correspondiente), tuvo una genial idea que se ha demostrado aproximadamente cierta. Postuló que la electricidad era un fluido invisible existente en la materia, que podía estar en exceso o en defecto, y de igual manera que en la economía, cuando hay una falta de fondos en un lugar se compensa con los excesos de fondos de otros lugares, así también en la electricidad podía haber por exceso (carga positiva o vítrea) o por defecto (carga negativa o resinosa), y que las cargas circulaban de la parte con exceso a la parte con defecto, por tanto de positivo a negativo. Hoy día se sabe que la teoría es correcta pero de forma contraria, al ser las cargas eléctricas electrones negativos cuando hay exceso la carga es negativa y cuando hay defecto es positiva, y la electricidad circula de negativo a positivo, cosa que se supo solo con la moderna teoría atómica, pero como para el estudio de los circuitos electrónicos es casi siempre indiferente el sentido de la corriente para su estudio en los circuitos, se mantiene el convencionalismo de que circula de positivo a negativo. Hoy día se habla de diferencias de potenciales, circulando la electricidad de los puntos de mayor diferencia de potencial hacia los de menor diferencia de potencial.

martes, 22 de diciembre de 2015

Historia de la electricidad (IX): La electricidad se convierte en espectáculo



Uno de los usos de la electricidad era por sus supuestos efectos terapeuticos, los doctores aplicaban pequeñas descargas a los pacientes para tratar múltiples males, desde la migraña a dolores de todo tipo, oviamente sin resultado, pero el efecto placebo ha existido siempre. Está documentado que en el año 1767 se usaban estos aparatos en el Middlesex Hospital de Londres, y la adquisicion en el 1768 de un aparato similar por el hospital de San Bartolomé.

Figura 3
Tratando a un paciente, generador electrostático, al final del mismo cuelga una botella de Leyden, y el doctor está aplicando descargas en el brazo (fuente: elementos.buap.mx)

En una época en la que la diversión era el teatro y la ópera, en el siglo XVIII hubo una gran explosión de espectáculos basados en la nueva y misteriosa electricidad tanto en los salones de la alta sociedad como en los mercados. En un mundo sin muchas fuentes de entretenimient oeran muy populares este tipo de actuaciones. Magos callejeros y grandes espectáculos se preparaban para que la gente, a cambio de unas monedas, pudiera sentir el nuevo fenómeno.

Frotando una varilla de cristal con un paño de seda, la atracción de pequeñas plumas se convirtió en algo habitual, pero la estrella eran las chispas, gracias a las nuevas máquinas generadoras los espectáculos cambiaron. El actuante cargaba su cuerpo de electricidad y tocaban a las personas, que sentían el chispazo en su cuerpo. 

Otro truco espectacular era la "beatificación eléctrica", se tiene referencia de que la ideó en 1737 un físico y poeta en la Universidad de Leipzig (Alemania) llamado Georg Matthias Bose. Se sentaba a una persona en una silla aislada y se le colocaba una especie de corona rodeada de puntas romas, al cargar esta con electricidad se producía un resplandor entorno a la misma, con aspecto del típico halo que se dibujaba a los santos. La corona no podía tener puntas pues en ese caso se producían chispas en lugar del efecto, que es el mismo que los marineros conocen como "el fuego de San Telmo".

La beatificación eléctrica (fuente: lateralscience.blogspot.com)

Para los más atrevidos, se cargaba una botella de Leyden, se formaba una cadena de personas uniendo sus manos, y el primero tocaba la punta de la botella transmitiéndose por toda la cadena de personas. Este peligroso espectáculo si el actuante se excedía con la carga permitía a un grupo numeroso conocer la fuerza de la electricidad.

Casa del rayo, es un botella de Leyden, se carga por la bola de la derecha y las chispas aparecen en la punta de la izquierda (fuente: Bertuchi Endeavour)

Basado en otras investigaciones de Cavendish usando electricidad y gases, se hacía otro efecto impactante en el momento, en el que recordemos para encender un fuego se usaba yesca y pedernal. Usando un vaso metálico lleno de un líquido inflamable, lo que era sencillo de conseguir ya que en aquella época el brandi de las cenas de los salones de la alta sociedad (o el grog en los mercados), tenía un alto contenido alcohólico, el ejecutante se cargaban de electricidad y acercando el dedo a la copa se producía una chispa que prendía el contenido.

Experimentando con la electricidad (fuente: tecnologiatic2011)

Todas estas actuaciones estaban minuciosamente preparadas, ya que para que funcionaran debían mantener o evitar el contacto con tierra para formar los circuitos, o aislarse para no perder las cargas una vez adquiridas.


domingo, 20 de diciembre de 2015

Historia de la electricidad (VIII): Se almacena la electricidad. Primeras teorías


Tras los lentos avances iniciales, hay una explosión de investigadores sobre el tema, por lo que los avances comienzan a ser más rápidos.

Pieter van Musschenbroek (Holanda 1692-1761)

Este físico holandés era profesor e investigador de la Universidad de Leyden, una de las más importantes universidades en ciencia y matemáticas científicas de la época, ubicada en Holanda (recordar la anterior entrada sobre Otto von Guericke que estudió en esta universidad unos 100 años antes).

Ewald Jürgen Von Kleist (Pomerania 1700-1748)

La antígua Pomerania actualmente es la zona norte de Polonia y Alemania. Kleist tenía la combinación de profesiones de la época, jurista, clérigo luterano y físico miembro de la Academia Prusiana de Ciencias. Estudió en Leyden de 1722 a 1747.

La botella de Leyden (1745)

No está claro quién de los dos fue el primero en efectuar el descubrimiento, si Kleist o Musschenbroek (o bien un asistente de este último llamado Andreas van der Kun). Lo cierto es que en ese año, de manera casi simultánea, ambos publicaron su descubrimiento, aunque la versión de van Musschenbroek es la que prevaleció.

La idea de almacenar la electricidad estaba en estudio hacía tiempo, pero no se conseguía realizar. Todos partían de una botella de vidrio, en la que introducían agua u otros líquidos, la tapaban con un corcho taladrado por una varilla metálica, de la que colgaba un pequeña cadena hacia el líquido, y en la parte superior se ubicaba una bola a través del que se intentaba cargar el frasco.

Los intentos fracasaban, hasta que, según la versión de  Musschenbroek , una vez en lugar de dejar la botella sobre la mesa, Musschenbroek (o su ayudante) la sostuvieron en la mano. Una vez cargada, tocó la bola (o lo hizo accidentalmente el ayudante), recibiendo una gran descarga eléctrica que le tiró al suelo. Describe que fue tan grande que peligró su vida y que nunca más tocaría la bola con la botella cargada.
Experimentando con la botella, a la derecha el generador (fuente: fisica2012riadelcarmen.blogspot.com)

La botella de Leyden es lo que hoy día denominamos condensador (o en Latinoamérica capacitor a partir del anglicismo "capacitor", que reemplazó a la anterior palabra inglesa"conderser").
construir botella leyden
Una muy original botella de Leyden (fuente: ikkaro.com)

Johann Heinrich Winckler (Alemania, 1703-1770)

En 1746 este profesor de la Universidad de Leipzig, en sus estudios de los generadores electrostáticos, describe una idea de comunicación a distancia similar al telégrafo, pero no la puede llevar a la práctica al no disponer de un generador que proporcione electricidad de forma continua.

Generador de Wincklet (fuente: Wikipedia)

William Watson (Inglaterra 1715-1787)

Sir William Watson fue médico y físico. Mejoró la botella de Leyden envolviéndola en una capa de estaño. En 1747 transmite una descarga eléctrica desde una botella de Leyden, usando un cable metálico que atravesaba el río Támesis, produciendo una gran chispa, con lo que demostró que una descarga de electricidad estática es una corriente eléctrica, postulando la teoría de la existencia de un fluido eléctrico que no se crea ni se destruye, solo se transfiere de un objeto a otro. Fue el primero en estudiar la propagación de corrientes en gases enrarecidos.

Jean Antoine Nollet (Francia 1700-1770)

Clérigo y físico, en 1745 teoriza acerca de flujos de materia eléctrica continua entre dos objetos cargados. Reemplaza el líquido en la botella por hojas de estaño, siendo la versión más utilizada. Usando su mejora en 1746 realiza una demostración ante el rey Luis XV, descargando la botella a través de una línea de 180 Guardias Reales cogidos de las manos.
Varias botellas de Leyden (fuente: gc.initelabs.com)

Uso de la botella de Leyden

La combinación de un generador y una o varias botella de Leyden eran los instrumentos habituales para el estudio de las corrientes eléctricas a partir de esa época, pero la idea de que los científicos experimentan con ellos mismos, propia de las películas de Ciencia Ficción modernas, ya está presente en esa época, Cavendish en 1747 determina la conductividad de las substancias recibiendo descargas a través de ellas, pero comienzan a construirse generadores más grandes, unidos a varias botellas en paralelo, capaces de almacenar miles de voltios y matar a ratones y aves. Martin Van Marum en Holanda construye una máquina muy peligrosa por su gran tamaño. Ya no es posible probar la electricidad en persona, hay crónicas de enormes y estruendosos chispazos, y Benjamin Franklin, habiendo sufrido una descarga, dejó constancia de que estuvo dolorido una semana.

En la siguiente entrada pasaremos de la chispa al rayo y al pararrayos, atribuido a Franklin, ¿será cierto o no? ¿Voló la famosa cometa? Pero antes una pausa para hablar del uso de la electricidad en los espectáculos callejeros.

viernes, 18 de diciembre de 2015

Historia de la electricidad (VII): Conducción y cargas



Comienza el siglo XVIII, y lo hace con dos descubrimientos importantes, uno en Inglaterra (gran impulsora de la ciencia en ese momento) y otro en Francia. Hay que tener en cuenta que solo presento los principales científicos y descubrimientos relacionados, pero hay muchos investigadores que contribuyeron con sus experimentos.

Stephen Gray (Inglaterra 1666-1736)

Interesado en la astronomía inicialmente, luego cambió sus estudios por la investigación en electricidad. En sus publicaciones hablaba de la electricidad como de los "efluvios eléctricos" o "virtud eléctrica". Gray se interesó por la conductibilidad, entre sus experimentos y usando la fuente de luz descubierta por Hauksbee, descubrió que podía cargar un tapón de cocho en el extremo de un tubo de vidrio, y que los metales son mejores para ello.

Una demostración la realizó colgando a un niño de unos columpios usando cables de seda, cargaba al niño de electricidad y este atraía con sus manos pequeños trozos de pan de oro, plumas y trocitos de papel.
Representación de la demostración de Gray (fuente: yovisto.blogspot.com)

Investigó la conductividad junto a su amigo Jean Theophile Desaguliers. Nacido en Francia en 1683, era protestante por lo que tuvo que dejar Francia para evitar las persecuciones, clérigo, ingeniero, francmasón y científico (combinación habitual en esa época), murió en Londres en 1744. Fue miembro destacado de la Royal Society, siendo recompensado tres veces con la medalla Copley por sus investigaciones, la última en 1741 por su investigación de la electricidad. Publicó unos 60 documentos en los anales de la Royal Society, sin embargo su nombre no está entre los más destacados. Es el padre la primera teoría importante sobre la electricidad, lo que denominó la "teoría de los dos fluidos".

En sus experimentos conjuntos transmitían la electricidad cortas distancias, pero para alargarlos clavaron los cables a las pareces para intentar transmitir la corriente, pero tras muchas pruebas no conseguían resultados, pensaron que era porque la electricidad se escapaba por los clavos, y aconsejados por su amigo y gran investigador G. Wheeler colgaron los alambres de hilos de seda no conductora, y al fin consiguieron entre ambos en 1729 transmitir electricidad a través de un conductor de 800 pies (unos 240 metros). Queriendo alargar el cable, los hilos de seda se rompían, por lo que lo colgaron de un hilo metálico, y dejó de transmitirse la corriente. Por tanto fueron los descubridores de la transmisión de la electricidad, indicando a su vez la necesidad de aislar de tierra los conductores.
Image illustrating the experiment conducted by Stephen Gray and his assistant
Representación de la época del experimento (fuente: hydroelectricite.ca)
Gray continuó sus estudios con G. Wheler y J. Godfrey, con quienes efectuó en 1729 la clasificación de los materiales en eléctricamente conductores y aislantes. Es interesante destacar que Wheler y Gray intentaron relacionar la gran fuerza de la gravitación con la electricidad, lo que se puede considerar es un intento de obtener una teoría unificada.

Charles François de Cisternay du Fay (Francia, 1698-1739)

Aun sin educación formal en el tema se dedicó a la física y a la química, de noble familia, su padre le consiguió el nombramiento de químico adjunto en la "Academie des Sciences" francesa.

Tras conocer los trabajos de Gray, se dedicó al estudio de la electricidad, descubrió que una lámina de oro era repelida por una barra de vidrio cargada, lo que posteriormente se usó para mejorar el electroscopio.
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Electroscopio de láminas de oro (fuente: institutosanisidoro.com)
En 1733 publicó un trabajo en el que diferenciaba dos tipos de electricidad, la obtenida al frotar un paño de seda contra un vidrio y la obtenida frotando el mismo paño con el ámbar, por lo que las denominó "vítrea" y "resinosa" (hoy día sabemos que serían la positiva y la negativa respectivamente).

jueves, 17 de diciembre de 2015

Historia de la electricidad (VI): Pequeños avances



En esta entrada hablaré de dos científicos de finales del siglo XVII, que apoyaron las investigaciones en la electricidad.
 

Robert Boyle (1627-1691).

Nacido en Irlanda pero vivió casi toda su vida en Inglaterra, era hijo de un noble inglés. Fue uno de los grandes impulsores de la ciencia de su época como filósofo natural, y aunque comenzó como alquimista al pensar que el oro no era una materia simple sino compuesta, y por tanto experimentó en la búsqueda de la piedra filosofal, pronto cambió sus ideas y pasó a ser un gran impulsor de las bases de la química y de la física, además de dedicar mucho tiempo a la teología cristiana. Esta mezcla de cosas era muy habitual en su época.

Fué uno de los fundadores del "invisible college" (universidad invisible), refiriéndose a que era una universidad sin sede ya que la constituían sus componentes en las reuniones. Esta se convirtió posteriormente en la "Royal Society of London for Improving Natural Knowledge" (Real Sociedad de Londres para el Avance de la Ciencia Natural), cuna de grandes hombres de ciencia como Isaac Newton.

Fijó las bases de la química en su obra "The sceptical chymist" (el químico escéptico), avanzó en la teoría atómica, y al conocer los experimentos de Otto von Guericke, junto a Robert Hooke experimenta con el vacío, crea una bomba de vacío mejorada, y aporta la ley de los gases perfectos, conocida como ley de Boyle.
Bomba de Boyle (Fuente: ancadas.es)
Siendo uno de los grandes científicos del momento, su interés por la electricidad motivó que se acrecentara el interés por la misma, lo que de por sí ya es un gran mérito, pero también demostró que las cargas se movían en el vacío y que la electricidad permanece en los cuerpos cierto tiempo después de haber cesado su aportación por rozamiento.

Francis Hauksbee el viejo (1660–1713).

Los científicos son personas y tienen los mismos defectos que todos. El título del físico más revolucionario está en pugna entre Newton y Einstein, ambos cambiaron el punto de vista de la física sobre muchas cosas, y ambos triunfaron por su explicación de la gravedad y estudiaron la luz. Newton no solo contribuyó con sus teorías gravitatorias, también definió las leyes de la mecánica (estudio del movimiento), avanzó en óptica y estudió la luz entre otros temas, sino que también revolucionó las matemáticas con el cálculo diferencial. Pero tan magno hombre, con tantas alabanzas sobre sus trabajos, acabo pecando de soberbia.  Peleó con grandes científicos y matemáticos por la paternidad de sus ideas, su principal oponente fue Robert Hooke, uno de los mayores científicos del momento, pero que por desgracia no confirmaba sus ideas, por lo que pocos descubrimientos se le atribuyen, su principal pugna fue sobre  la paternidad de la gravitación. Fue uno de los fundadores y el director de experimentos de la Royal Society, de la que Newton fué nombrado director. A la muerte de Hooke, Newton nombró nuevo director de experimentos al también inglés y miembro de la Royal Society, su amigo y gran defensor Hauksbee.

Su principal contribución fue el perfeccionamiento del generador de Guericke, al reemplazar su esfera de azufre por una de vidrio, más sencilla de obtener y mejor receptor de las cargas. Con su idea se podía además percibir visualmente un resplandor azulado entre la mano y el vidrio mientras se rotaba el aparato, primera manifestación visual de las cargas eléctricas, por lo que su demostración en la Royal Society fue espectacular, apagaron todas las velas, empezó a girar su aparato, y el tenue resplandor apareció a la vista de los asistentes, creando una gran animación por el estudio del nuevo fenómeno.

Generador de Hauksbee ilustrado en su libro Physico-mechanical Experiments (fuente: wikipedia)
Luego descubrió que si colocaba unas gotas de mercurio en una esfera de vidrio en la que se hacía el vacío, y posteriormente la cargaba haciéndola girar contra su mano, se generaba un resplandor azulado suficiente como para leer que permanecía un tiempo, esto hoy día se usa en las lámparas de mercurio, que han iluminado las avenidas durante años.

En 1709 publicó sus experimentos en el libro escrito en inglés (y no en latín como era habitual en la época) "Physico-mechanical Experiments on Various Subjects" (Experimentos fisico-mecánicos en distintos asuntos). 

Con esto entramos ya en el siglo XVIII, el siglo de los electricistas, donde los avances se van haciendo cada vez más rápidos.

martes, 15 de diciembre de 2015

Historia de la electricidad (V): ENTRADA TEORICA. Electricidad estática y el efecto triboeléctrico


Va siendo hora de explicar porque el frotar una materia con otra produce electricidad, que es lo que se denomina efecto Triboeléctrico (del griego tribein, "frotar" y elektron, "ámbar"), aunque esto no se supo hasta el siglo XX con la moderna teoría atómica y en nuestro relato estamos en el siglo XVII.

Esta explicación intentaré que sea lo más sencilla posible, aunque cuando bajamos a nivel atómico muchas veces es fácil perderse (y si entramos a niveles cuánticos más todavía pero no llegaremos hasta allí), por lo que simplificaré al máximo. Sabemos que la materia está compuesta de átomos y que estos tienen dos partes, un núcleo muy compacto lleno de protones y neutrones, rodeado de una nube de electrones. Los electrones no giran en órbitas circulares fijas alrededor del núcleo, sino que se mueven aleatoriamente en ciertas zonas del átomo, estas zonas se denominan orbitales y son las zonas donde hay mayor probabilidad de encontrar al electrón. Esto significa que puedes encontrar normalmente al electrón moviéndose libremente por esa zona, aunque algunas veces estará fuera de ella. Esta movilidad es la que hace que los átomos se puedan combinar entre sí. Para nuestra explicación no entraremos en más detalles, solo que los orbitales están distribuidos en capas no concéntricas, sino que se solapan y entrecruzan. 
Algunos orbitales, las zonas mas claras son las de mayor probabilidad de encontrar al electrón (fuente: astrofacil.com)

Los electrones de la capa más externa están menos retenidos por el núcleo y pueden en ciertas ocasiones salir de su lugar pasando a otro átomo cercano. Eso es lo que pasa cuando acercas un material a otro, hay átomos que tienen más facilidad por ganar electrones y otros que tienen más facilidad para perderlos, lo que se denomina afinidad, por eso cuando entran en contacto dos materiales diferentes se produce una transferencia de electrones de uno a otro en función de su afinidad. La cantidad de electrones que se traspasan van en función de temas como humedad o temperatura, pero solo se producen por el contacto. Lo que hacemos al frotar es renovar continuamente las zonas en contacto, lo que sería equivalente a aumentar la superficie de contacto, la propia acción de frotar no es la importante sino el hecho de que así hacemos que se produzcan más contactos entre ambos materiales, y en esos contactos es donde se intercambian los electrones de uno a otro material. 

Los electrones intercambiados por el contacto son muy poco numerosos, se estima que se puede transferir un electrón por cada mil átomos, por eso la renovación hace que aumente tanto el número de electrones. Si la materia que gana los electrones es conductora estos se distribuyen uniformemente por el objeto, mientras que en los no conductores permanecen en la zona donde se han depositado. Cuando los objetos se separan están en contacto con el aire, y también realiza el efecto contra el propio aire que es el mejor material triboeléctrico por su gran movilidad, por lo que la carga así inducida no es permanente, sino que se pierde poco a poco.

Cuando un electrón pasa de una substancia a otra la donante gana una carga positiva, mientras que la receptora gana una negativa, dependiendo de la conductividad de cada uno las cargas se reponen más o menos rápido, la piel por ejemplo cede rápidamente electrones, pero al no estar aislados de tierra estas cargas se reponen continuamente para permanecer eléctricamente neutros, el vidrio pierde electrones un poco menos fácilmente por lo que los gana al frotarlo con la mano, aunque ambos tengan facilidad por perderlos uno lo tiene más que el otro. El ámbar los gana aunque no con demasiada afinidad, por eso hay que elegir bien el elemento a frotar y con que hacerlo, lo más usado era el vidrio usando un pañuelo de seda.

Esta electricidad se denomina estática, no porque permanece en los puntos en que se genera pues puede circular, realmente se denomina así como contrapuesto a dinámica, la que se genera de manera contínua y circula libremente por un circuito.

Hoy día el elemento mas común que usa electricidad estática es la impresora láser, el tambor se carga con una corriente positiva, aunque no por frotamiento sino mediante un hilo cargado, un láser o diodo la retira y quedan zonas negativas de corriente estática, al no ser conductor el tambor las cargas no se mueven del sitio, luego pasa junto al tóner que es atraído hacia esas zonas negativas, pasando por contacto al papel.
Tambor de una impresora láser (fuente: webcartucho.com)
Hay una escala de elementos que se establece en cuanto a la facilidad para donar electrones llamada serie triboeléctrica, que fue estudiada por los experimentadores de la electricidad y en la que en el elemento que más electrones cede es el Aire, seguido de la piel humana, en el centro están los que no toman ni ceden casi electrones que son el algodón y el acero, y abajo los que más electrones recogen siendo el último la ebonita, aunque muchos elementos de esta tabla son modernos y no usados en el siglo XVII. 

No hay que confundir que un elemento recoja cargas con que sea aislante, la propiedad de aislante se relaciona con la conducción de la electricidad y las corrientes en movimiento, aquí hablamos de electricidad estática, la que se produce por el efecto triboeléctrico y no circula por un circuito. Así el vidrio es un buen aislante a la vez que un buen elemento triboeléctrico, pero las cargas en su superficie no se mueven, permanecen en el lugar donde se generan.

Historia de la electricidad (IV): El primer generador



Aunque desde el 1600 ya existía una forma de medir el fenómeno, la única forma de producir las cargas eléctricas era por frotamiento lo que no generaba cargas muy elevadas. Hacía falta un sistema que generase una carga de mayor nivel, pero hubo que esperar 60 años hasta que se consiguió realizar un aparato que las produjese, y lo consiguió uno de los grandes científicos del momento, aunque es más conocido por otros estudios de física.

Otto von Guericke nació en Magdeburgo en 1602, estudió derecho, aunque su gran pasión era la ciencia, por lo que completó sus estudios de matemáticas en la universidad de Leyden (no olvidemos este nombre que aparecerá en otra entrada). Tras casarse, trabajó en el ayuntamiento de Magdeburgo, ciudad de la que tuvo que huir por la invasión de la ciudad durante la guerra de los Treinta Años. Arrasada la ciudad y mermada su población a la cuarta parte, a su regreso asumió la alcaldía de la ciudad durante 15 años, para luego ser juez en esta misma ciudad durante otros 30 años.

Como su gran pasión era la física no dejó de investigar nunca, y es famoso por acabar con uno de los grandes principios de Aristóteles que dijo "la naturaleza aborrece el vacío", lo que se tomo como verdad inquebrantable durante la Edad Media. Guericke se cuestionó esto, motivado por los estudios sobre la presión atmosférica del italiano Evangelista Torricelli, continuadas por el francés Blaise Pascal que demostró que era posible el vacío. A partir de sus estudios Guericke ideó la primera bomba de vacío.

Se hizo muy famoso en su época ya que en 1654 ante la corte imperial demostró la fuerza del vacío de manera espectacular, juntó dos hemisferios de cobre e hizo el vacío entre ellos, dos tiros de ocho caballos tirando cada uno de uno de los hemisferios no consiguieron separarlos. Los "hemisferios de Magdeburgo" no fueron su única demostración, un émbolo en un cilindro al que se hizo el vacío no pudo ser levantado por la fuerza de 50 hombres.
Representación de la época de los famosos "hemisferios de Magdeburgo" (fuente: museovirtualiespedroespinosa)

Demostró que en el vacío no se transmite el sonido de una campana, ni puede mantener la vida de un animal ni mantener encendida una llama. Todos estos descubrimientos los plasmó en un libro de 1672 que llamó "Experimenta nova, ut vocatur Magdeburgica, de vacuo spatio" (Experimentos nuevos, o de Magdeburgo, sobre el espacio vacío). También se atrevió con la astronomía, apoyando el que los cometas retornaban cada cierto tiempo, para lo que usó sus conocimientos matemáticos calculando su órbita alrededor del Sol.

Pero lo que nos interesa es su aportación a la electricidad. En 1660 Guericke construyó la primera máquina electrostática capaz de producir electricidad. Vertió azufre fundido en una esfera de cristal para formar una bola, la extrajo, perforó la bola y la fijó a un eje a la que fijó un asa. Se hacía girar la esfera con una mano mientras la frotaba contra la otra, esto cargaba la esfera con más electricidad de la que se podía producir hasta ese momento por frotamiento. Una vez cargada la esfera, esta atraía plumas de ave y trozos de papel, podía producir chispas, y al ponerla en contacto con un objeto estudiar si este podía o no retener la electricidad.
Ilustración de la máquina electrostática de Guericke (fuente: timerime.com)

Esta máquina le permitió hacer observaciones sobre la atracción y repulsión de los objetos electrizados, y fue la base de todas las máquinas generadoras durante más de 100 años. Al ver las chispas especuló sobre el que los rayos fueran de origen eléctrico.

Seguiremos viendo la evolución de estas máquinas y hablaré de los "electricistas" y sus espectáculos en las siguientes entradas, aunque primero explicaré por que estos aparatos generan electricidad.

lunes, 14 de diciembre de 2015

Historia de la electricidad: Índice

01 : Introducción
02 : Comienzos 
03 : El primer aparato de medida
04 : El primer generado
05 : ENTRADA TEORICA. Electricidad estática y el efecto triboeléctrico
06 : Pequeños avances
07 : Conducción y cargas 
08 : Se almacena la electricidad. Primeras teorías.
09 : La electricidad se convierte en espectáculo.
10 : Se domina el rayo. Economía aplicada a la electricidad
11 : ¿Cuanto pesa la electricidad? 
12 : Ya sabemos pesar voltios, pero ¿cuanto pesa la tierra?
13 : La electricidad animal, la revolución y el mostruo, parte uno
14 : La electricidad animal, la revolución y el mostruo, parte dos
15 : La electricidad animal, la revolución y el mostruo, parte tres
16 : Hágase la luz
17 : La unión magnética

Historia de la electricidad (III): El primer aparato de medida



En ciencia, como dije en la introducción, no se pueden usar los sentidos para conocer el mundo que nos rodea, ya que nuestro cerebro queramos o no interpreta lo que percibe. El principal ejemplo es la pareidolia , una imagen nos parece otra diferente, ya que nuestro cerebro es especialista en buscar semejanzas de forma muy rápida para poder movernos por el mundo.

En la anterior entrada hablé de William Gilbert y su libro "De magnete" publicado en el 1600. Para llegar a la conclusión de que la Tierra producía el campo magnético que afectaba a las brújulas, utilizó brújulas que dispuso en horizontal y vertical en varias posiciones. Esta forma de medir era imprescindible para sacar conclusiones, por lo que necesitaba otro medio para medir la electricidad estática que generaba, solo con ver las pequeñas chispas que obtenía no era suficiente.

Pero los científicos son observadores, experimentan y pruebas muchas cosas (o las hacen de casualidad), y sacan conclusiones a partir de ello. Gilbert observó que las láminas de pan de oro electrificadas se repelían entre sí, por lo que ideo el primer aparato de medición de la electricidad de la historia. Lo denominó versorium, consistía en una pequeña flecha pivotante echa de hojuelas de oro, parecida a una veleta en miniatura.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/46/Gilberts_versorium_needle_electroscope.png/250px-Gilberts_versorium_needle_electroscope.png
El versorium de William Gilbert (fuente: wikipedia)
 
Este primer aparato era muy sencillo, primero se cargaba la fecha con una carga inicial, luego acercando el material cargado que se quería estudiar se veía si se repelía, atraía o no afectaba a la flecha, de esta forma se podía medir de manera rudimentaria la existencia de electricidad y su magnitud relativa, no era un aparato muy preciso, pero permitió por primera vez estudiar de forma sistemática el fenómeno eléctrico, sin depender de observaciones del experimentador.

Este aparato fue mejorado con los años, usando un frasco de vidrio aislante, en cuyo interior se ubicaba una lámina de oro doblada sobre si misma, suspendida de un cable conductor unida a una bolita metálica en la tapa. Al cargar el aparato a través de la bola las láminas se separaban, midiendo el ángulo que formaban se podía conocer la magnitud de la carga eléctrica inducida. Si posteriormente se introducía otra corriente, si era del mismo signo y superior las láminas se separaban, si era de signo contrario se acercaban mas.

Electroscopio de láminas de oro (fuente: museo.iescoloma.es)

Este aparato se llama electroscopio (del griego elektron y scopio que significa aparato para observar), y fue el principal instrumento de medida eléctrico del siglo XVII y parte del XVIII, hasta que Volta creó la pila eléctrica, que al ser de corriente contínua no es posible medir con este aparato, solo apto para corrientes estáticas.


Hoy día los aparatos modernos de laboratorio disponen de una lámina fija y otra móvil, que a través de una escala graduada nos proporciona la medición. Son mas precisos, y su uso mas habitual es en centros de enseñanza.

Electroscopio de laboratorio moderno (fuente: 3bscientific.es)

Estamos muy acostumbrados a la difusión rápida de la información, hoy día un político mete un gazapo en televisión y en media hora hay una web montada sobre el tema, pero es esa época los progresos eran lentos, debemos esperar 60 años hasta el siguiente hito en la historia de la electricidad, cuando en lo que hoy es Alemania un científico llamado Otto von Guericke da el siguiente paso en el camino, creando el primer generador eléctrico.

domingo, 13 de diciembre de 2015

Historia de la electricidad (II): Comienzos



Durante unos 20 siglos apenas se experimentó con la electricidad, solo hay algunas referencias entre los filósofos griegos y algunas prácticas médicas relacionadas con el uso de anguilas eléctricas. El magnetismo si fue más explotado en las brújulas, aunque no se conocía la relación entre ambos efectos.

Los egipcios constataron la existencia de los peces eléctricos, hay referencias a ellos sobre el 2700 A.C., los llamaban peces guardianes, ya que pensaban que protegían a los otros peces.
En la introducción dije que se atribuye a Tales de Mileto, hacia el año 600 A.C. el descubrimiento de la electricidad estática producida por frotamiento, lo que se denomina efecto triboeléctrico. Como Tales no dejó nada escrito no se puede afirmar que fuera suyo. Lo más probable es que el fenómeno lo observara un joyero, ya que en aquella época el ámbar es considerado una piedra preciosa, al ser transparente y relativamente fácil de trabajar se usaba mucho para realizar joyas, un artífice seguramente frotaría sus piezas para aumentar su brillo. Lo que hizo Tales, o uno de sus discípulos, fue observar el fenómeno y constatarlo. Ellos pensaron que la electricidad era una propiedad que residía en el ámbar.

Por esa época, aunque sin fecha cierta, se conoce que cerca de la ciudad griega de Magnesia, ubicada en la costa este de la grecia continental, se observó que unas extrañas piedras tenían la propiedad de atraerse entre sí, o de atraer objetos de hierro. A esa piedra se les llamó magnetita por su ubicación.

La segunda referencia a la electricidad proviene de Theofasto, discípulo de Platón, que sobre el 250 A.C. escribió un tratado de física en el que habla del fenómeno eléctrico y aporta que no solo el ámbar tenía esta propiedad.

Esto es lo poco que se conoce que se investigara por los griegos. Sus sucesores, los romanos, no destacaron en ciencias teóricas sino en la ingeniería que es una ciencia aplicada. Se conocen referencias al uso de las anguilas y rayas eléctricas en el tratamiento de dolencias como las migrañas y la gota en escritos de Plinio el Viejo, que se dedicó a recopilar el conocimiento científico, o del médico del siglo primero Escribonio Largo, recopilador de la primera farmacopea o relación de fármacos importante de la historia.

A lo largo de la Edad Media solo hay algunas leves referencias al ámbar y su electricidad, y los grandes científicos de ese momento, los árabes, tampoco aportaron más que referencias al rayo, en árabe raad. Pero sobre el año 1100 se tienen referencias a las primeras brújulas en China, y en el 1187 Alexander Neckham es el primer europeo en hablar en su obra "De nominibus ustensilium" sobre la brújula como apoyo a la navegación. En esa época la brújula era una aguja de magnética sobre un trozo de madera, que flotaba en un cuenco con agua. Las brújulas chinas apuntaban hacia el sur, mientras que las europeas lo hacían hacia el norte.
Representación de "el pez que apuntaba al sur" chino, primera brújula (fuente: naukas.com)
Hacia el 1550, el italiano Girolamo Cardano, gran investigador y enciclopedista, inventor de la junta cardan que lleva su nombre, mientras ideaba un soporte mejorado para las brújulas usadas en los barcos, distingue entre fuerzas eléctricas y magnéticas.

Pero el primer investigador importante de la electricidad fue el inglés William Gilbert (1544-1603). Era médico de la reina Isabel I de Inglaterra, y esta le encomendó el estudio de la brújula para mejorar la navegación. Habló con muchos navegantes, y de ello sacó la idea para explicar la declinación magnética, para lo que experimentó ubicando brújulas en vertical y horizontal. Sus estudios concluyeron en el libro "De magnete" del 1600, que además es el primer tratado científico escrito en Inglaterra, en el que incluía la afirmación de que la Tierra producía el campo magnético que afectaba a las brújulas. En él introdujo el término "polo magnético". Fue el primero en usar la palabra griega para el ámbar, elektron, para referirse al fenómeno, por tanto fue el que lo bautizó como electricidad. En sus estudios vio que ciertas sustancias podían producir el fenómeno por frotamiento, a las que llamó "cuerpos eléctricos", y otras no lo producían y las llamó "cuerpos aneléctricos", siendo la primera clasificación de conductores y aislantes. Una de las tareas del científico es dar nombres a las cosas, y fue el primero que habló de "energía eléctrica" o de la "atracción eléctrica".

Gilbert dio el pistoletazo de salida de las investigaciones en el fascinante mundo de la electricidad, algo que no se podía ver, oler ni tocar, pero que se podía notar por medio de las descargas eléctricas.


sábado, 12 de diciembre de 2015

Historia de la electricidad (I): Introducción



Hace tiempo que quería escribir sobre esto, y ha llegado el momento. Como sabréis, a mi me gusta mucho la historia de la informática, pero realmente soy aficionado a la historia de la tecnología en general, y por eso quiero que conozcáis como fue avanzando el uso de algo que nadie sabe lo que es realmente a día de hoy, pero que se maneja continuamente.

Esta historia comienza con los llamados "electricistas" en el siglo XVII, pero yo empezaré antes, en esta introducción partiremos de los griegos y acabaremos con la vida cotidiana del siglo de la ilustración. 

 El primer científico se asume que fue Tales de Mileto, en el siglo V antes de Cristo. En aquella época la ciudad mas floreciente de Grecia era Mileto, que estaba ubicada en Jonia, en la costa de la actual Turquía. Troya estaba al norte y Mileto al sur de la costa. Tales fue el primero en creer que el hombre podía explicar los hechos de la naturaleza sin necesidad de recurrir al uso de los dioses, sino solo con su intelecto, aunque reconocía que no era capaz de explicarlo todo. Los griegos pensaban que la herramienta adecuada para estudiar el mundo eran los sentidos, idea errónea, pero al ser la defendida por Aristóteles se asumió que era una verdad incuestionable, por lo que esta idea perduró hasta el renacimiento, con la excepción de Demócrito, que tenía la idea de que todo estaba formado por átomos y que los sentidos nos engañan, por desgracia sus ideas no perduraron como tampoco sus escritos, ya que Platón opinaba que había que quemarlos y los dos pilares de la filosofía hasta el renacimiento fueron Platón y Aristóteles.

Se atribuye a Tales el primer y casi único descubrimiento relacionado con la electricidad hasta casi 20 siglos después. Cuando se frotaba un trozo de ámbar, resina de los árboles fosilizada, contra un trozo de piel o de lana, el ámbar podía atraer pequeños objetos, si el frotamiento se mantenía durante mucho tiempo, podían producirse incluso pequeñas chispas. Esto hoy día se puede reproducir frotando un bolígrafo de plástico contra un jersey de lana, puede atraer papelitos. En griego al ámbar se le conocía como electrón, y por eso al fenómeno se le llamó electricidad.

El primer científico moderno se considera que fue Galileo, aunque tuvo mucha influencia del inglés Francis Bacon, y el gran iniciador del tema fue Copérnico que desterró la visión de que el hombre era el centro del universos. Hasta ese momento la ciencia y la filosofía estaban unidas, y la gran revolución de la ciencia fue separar la especulación filosófica de los hechos, y considerar que los sentidos no eran la forma de estudiar el universo sino la experimentación, hoy día esto se lleva a su máxima expresión, nada que dependa de los sentidos puede ser aceptado, solo las mediciones de los aparatos de medida pueden ser aceptados, ellos no piensan por tanto no interpretan las medidas, solo las proporcionan.

La revolución del renacimiento culminó con la ilustración. En los siglos XVII y XVIII la diversión de moda entre la clase acomodada era la ciencia, acudían a los laboratorios a observar los experimentos, acudían a las salas de disección a ver como estudiaban los cadáveres, y las mejores reuniones eran las que un científico acudía a presentar sus experimentos. 

En las casas acomodadas no faltaba un "gabinete de curiosidades", en el que se exponían animales disecados de otros países, plantas foráneas, minerales raros, insectos, corales, láminas, cuadros de lugares exóticos, material médico, elementos de física y química. Contra mas grande y variado mas estatus aportaba a su propietario.

Gabinete de curiosidades de Joseph Bonnier de La Mosson (fuente; actualidadviajes.com)
En este ambiente florecieron los científicos que se dedicaron al estudio de la electricidad, a los que en esa época se les denominaba "electricistas", que poco a poco fueron desgranando los misterios de la electricidad, partiendo de una variante de la electricidad producida por frotamiento que permitía altos voltajes, las chispas que se generaban arrancaban grandes exclamaciones entre los asistentes, y cuando se acercaba la mano se "tocaba" la electricidad, algo etéreo y extraño.

Los experimentos del XVII y XVIII de Galvani, Volta, Faraday, Ampère, Coulomb o Watson entre muchos otros, llevaron en el XIX a Maxwell  a formular ecuaciones que describian matemáticamente el comportamiento de la electricidad, lo que hizo que Edison, Tesla, Siemens o Westinghouse pudieran generarla, controlarla y usarla, para que en el siglo XX se lograra no solo su uso generalizado, sino su control fino, lo que generó una nueva rama, la electrónica.

En estas entradas quiero ir desgranando esta fascinante historia, que aportó cosas como una obra tan conocida como "Frankenstein o el moderno Prometeo".