Historia de la Electricidad (XX): El fin de los generadores electrostáticos, Maxwell completa la teoría

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Entramos en una época importante, estas contribuciones marcan los últimos coletazos de los generadores electrostáticos para producir altas intensidades, y abren la puerta al siglo de los ingenieros, que pusieron la electricidad en la vida cotidiana.

Ernst Werner M. von Siemens (actual Alemania, 1816-1892)

Fue el mayor de 14 hermanos, al quedar huérfanos y siendo el varón mayor, a los 24 años tuvo que sacar adelante a sus hermanos, por lo que no puedo estudiar. Ingresó en el ejercito prusiano donde alcanzó el grado de teniente. En 1841 desarrolló un proceso de galvanización, en 1846 un telégrafo de aguja y presión y un sistema de aislamiento de cables eléctricos mediante gutapercha, un tipo de goma extraída de un árbol, similar al caucho. 

En 1847 creó la todavía existente Siemens AG, una de las grandes empresas de Alemania, desde donde emprendió grandes proyectos, siendo pionero en el tendido de líneas telegráficas submarinas, aisladas con gutapercha, comenzando con la que unía Irlanda y EE.UU, en 1874, o el tendido de líneas entre  Gran Bretaña y la India en 1870.

Ideó un telégrafo con puntero/teclado para hacer transparente al usuario el código Morse, usando un sistema similar al del telégrafo de agujas, lo que condujo a la telegrafía con caracteres, y permitió a las empresas disponer de líneas propias sin necesidad de conocer código morse, lo que se ve en muchas películas antiguas relacionado con resultados en la bolsa.

También creó la primera locomotora eléctrica (ya hablaré de motores mas adelante), presentada por su empresa en 1879, una de las ramas actuales importantes de la Siemens es la producción de vagones para metros y tranvías.

Otras contribuciones importantes

Por no extenderme demasiado, agrupo y condenso a varios personajes importantes:

• Charles Wheatstone (Inglaterra, 1802-1875): Comenzó siguiendo la tradición familiar como músico, donde realizó varias contribuciones interesantes, pero en el tema de la electricidad contribuyó con varios temas importantes, como la medición de la velocidad de la transmisión de las electricidad en los cables,para lo que necesitó idear un sistema de medición de tiempos muy pequeños denominado cronóscopo. En 1843 ideó los que se denomina puente de Wheatstone, que permite medir el valor de las resistencias (es el primer multímetro), y diseñó el telégrafo de agujas junto a Cook (ver al entrada anterior sobre Morse).
• James Prescott Joule (Inglaterra, 1818-1889): Uno de los mejores físicos de su época, definió la relación entre electricidad, calor y trabajo en sus escritos de 1840 a 1843
• Gustav Robert Kirchhoff: (Actual Alemania, 1824 -1887): A partir de trabajos anteriores de Gauss (ver entradas anteriores) definió las leyes de Kirchhoff en 1845, que se usan mucho en el análisis de circuitos. También estudió varios temas que condujeron al desarrollo de la quantica.
• William Thomson (más conocido como Lord Kelvin, Inglaterra 1824-1907): Estudió la relación entre los efectos Seebeck y Peltier en 1851 (ver entradas anteriores), pero su contribución mas practica fue el tendido de varios cables submarinos entre Irlanda y Estados Unidos.
• Heinrich Daniel Ruhmkorff (Alemania, 1803-1877): Creó en 1851 la bobina de Ruhmkorff, que  genera chispas de alto voltaje, es una tipo de transformador que a partir de la continua generada por las pilas o acumuladores, produce alterna de alta intensidad, lo que significó el fin de la generación de la electricidad estática como fuente de alta intensidad.
• Léon Foucault (Fráncia, 1819-1876): Además del péndulo que lleva su nombre con el que se demuestra la rotación de la Tierra, y de medir con bastante precisión la velocidad de la luz, descubrió las corrientes de Foucault en 1851, importante para el diseño de los transformadores.
• Zénobe-Théophile Gramme (Bélgica, 1826-1901): Ideó la primera dinamo en 1870. siendo el primer generador de corriente continua lo que reemplazó a las pilas y acumuladores rápidamente.
• Johann Wilhelm Hittorf (Alemania, 1824-1914): Estudiando el paso de corrientes de electrones por los gases, ideó en 1872 el primer tubo de rayos catódicos, lo que mucho después fueron los tubos de las televisiones.

James Clerk Maxwell (Escocia, 1831-1879)

De familia acomodada, asistió desde pequeño a las conferencias de la Royal Society en Edimburgo. Antes de la universidad, ya publicó varios trabajos científicos y matemáticos, como estudios de figuras geométricas, ayudado por sus dotes en el dibujo. Estudió en las universidad de Edimburgo y luego pasó a Cambridge, y a los 25 años comenzó como profesor, lo que representaba ser 15 años mas joven que la media de profesores del momento. 

Las cuatro ecuaciones de Maxwell de 1875 definieron las bases teóricas del electro-magnetismo, unificando electricidad, magnetismo y luz como tres manifestaciones de radiación electromagnética. A partir de estas ecuaciones, definió la posibilidad de las ondas de radio, que luego se concretaron en la telegrafía sin hilos.

La suya fue la segunda teoría unificada tras las definidas por Newton, hoy se lucha por la tercera gran unificación sin éxito, incluir la gravedad en las ecuaciones. Sus formulas fueron la base que utilizó Einstein en su teoría de la relatividad, y las que utilizó Planck como base de la mecánica cuántica.

Historia de la Electricidad (XIX): Comienza la parte práctica. El telégrafo

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Antes de entrar en la edad de la electricidad, con la pugna Alterna-Contínua o Tesla-Edison como se prefiera denominar, comienza el uso de la electricidad para mover motores. De estos haré una entrada aparte pues tienen bastante de lo que mencionar.

Samuel Morse (EE.UU. 1791-1872)

Fué un gran aficionado a las ciencias, pero comenzó su carrera como pintor. Viajó a Inglaterra a estudiar dibujo, donde desarrolló la técnica del retrato y su afición por las escenas históricas, a su regreso se ganó bien la vida haciendo retratos. Se casó, tuvo 4 hijos, quedó viudo, viajó nuevamente a Europa, donde amplió conocimientos de la electricidad, y en el viaje de regreso desarrolló su idea del telégrafo.

El desarrollo fue laborioso, ya que la electricidad tiene grandes pérdidas al recorrer grandes distancias por los cables, lo que lo hacía muy poco práctico pues las distancias se limitaban a 3 kilómetros, pero lo solucionó añadiendo cada ciertos intervalos relés repetidores, con lo que amplió el alcance de sus pruebas hasta los 16Km.

Hizo una primera demostración pública el 6 de enero de 1833, y en 1835 desarrolló comercialmente el telégrafo, dejó la pintura (realmente una lástima pues era un gran pintor), realizó una gran demostración pública de larga distancia el 11 de enero de 1838, y tras mucho pelear con el gobierno e intentar lo mismo con algunos gobiernos europeos, comenzó a instalar su telégrafo para el gobierno de los Estados Unidos. La primera línea fue entre Baltimore y Washington con 60km. En esa época las noticias podía tardar días en recorrer esa distancia, tuvo un gran éxito al informar del resultado de la convención para seleccionar el candidato a presidente por el partido Whig (hoy desaparecido) desde la sede de Baltimore al Capitolio en Washington, el 1 de mayo de 1844, pocos minutos tras el resultado. Poco después, el día 24, transmitió en sentido contrario una cita de la Biblia, lo que hizo triunfar a su invento, y comenzó a tender cables telegráficos con su empresa por todo el país.

 

Como curiosidad, en esa época había una gran oposición a ese invento, al que se le atribuían los males del momento, como está ocurriendo con el 5G actualmente, hay cosas de las que no aprendemos.

Cuando intentó patentar su invento, se encontró que ya había un registro anterior para un telégrafo de agujas en 1837 desarrollado en Inglaterra por Cooke y Wheatstone, pero la superioridad de su invento hizo que se adoptara en todo el mundo, salvo en el imperio británico que uso el otro sistema. 

Pero lo que acabó de convertir el telégrafo en imprescindible fue la guerra civil americana, donde Grant informaba de sus progresos en directo a Lincoln, transmitía órdenes o solicitaba material, por lo que uno de los objetivo militares era capturar el telégrafo del enemigo para o bien conocer sus mensajes, o bien cortar la línea.

El sistema de Morse

El sistema ideado por Morse era muy sencillo, usando un solo hilo de señal y el de masa (en los tendidos se usaba la propia tierra como masa por lo que no necesitaba dos cables realmente). Basando en que al conectar el interruptor en el cable se produce un chispazo, comenzó a estudiar como usar esto en la comunicación. Luego cambió la chispa por una bobina que hacía de electro imán,  por lo que cuando pulsaba el interruptor en un lado del circuito, en el otro un lápiz bajaba sobre una cinta en movimiento, trazando una línea mientras estuviera el interruptor pulsado. Esto lo combinó con la idea de un sistema de codificación basado en puntos y rayas, realmente contactos cortos y largos, por lo que ya se disponía de un sistema de comunicación eficiente, y al quedar registrado en papel no hacía falta traducir el código a texto inmediatamente.

Para operar el sistema, se activaba repetidamente el pulsador para llamar la atención del receptor, y cuando este confirmaba poniendo en marcha la cinta de papel, se comenzaba la transmisión. Para poder ampliar indefinidamente las señales repartidas entre muchos destinos, además de los Relés Repetidores, había estaciones que hacían lo mismo manualmente, recibían la señal por una línea y la enviaban por otra diferente, de esta manera se podía transmitir en minutos un mensaje a cualquier estación de la red.

Este sistema era muy sencillo y robusto, poco sensible a interferencias, y se podía enviar y recibir los textos muy rápido, por lo que enseguida ganó al sistema de agujas.

El telégrafo de agujas

Este era mas complejo y mucho menos preciso, por lo que acabo desapareciendo. Se necesitaban 6 hilos, 5 de señales y uno de masa, y como no descubrieron que podía usar la tierra para eso tardaron en suprimir ese hilo. Cada hilo movía un solenoide con una aguja en dos posiciones, hacia la derecha o hacia la izquierda. Las agujas siempre se movían de dos en dos, estaban distribuidas en un panel romboidal en la línea central, siguiendo donde apuntaban las dos agujas que se habían movido señalaban una letra.

Telégrafo de 5 agujas. Fuente: https://www.ea1uro.com

Para transmitir se usaba un pequeño teclado, al pulsar una tecla se movían las agujas necesarias automáticamente.

Este sistema estaba basado en uno anterior desarrollado en Francia, con solo dos agujas moviéndose como lo hacían los postes de señales ópticas manuales del momento, con un diseño algo más sencillo.

Torre óptica de señales. Fuente: https://www.ea1uro.com

 

 

Telégrafo de 2 agujas. Fuente museopostalytelegrafico.es

Estos sistemas eran menos robustos, ya que usaban mas hilos y eran mas sensibles a interferencias o a fallos mecánicos que trababan las agujas, además de ser mas lentos de manejar, por lo que fueron reemplazados por el sistema de Morse.

Historia de la Electricidad (XVIII): La teoría electro-magnética avanza

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A partir de aquí la electricidad avanza en dos frentes, la parte teórica no para de progresar, pero va  acompañada por los logros prácticos que no se quedan atrás, la primera mitad del siglo XIX es una continua sucesión de descubrimientos e invenciones, que hacia el final del siglo logran que la electricidad sea ya algo práctico en fábricas y se introduzca en los hogares. Vamos más rápido en esta parte que avanza en la parte teórica que llegará a su máximo con Maxwell.

 

Georg Simon Ohm (Alemania, 1789 - 1854)

Este alemán hijo de un cerrajero fué impulsado a estudiar por su padre, y lo hizo de forma mas autodidacta que formal, ya que no le gustó su paso por la universidad. Trabajó de profesor en pequeñas escuelas con bajos sueldos para subsistir, hasta que en 1817 consiguió al fin un buen puesto y pudo compaginarlo con la investigación.

En 1827 publicó sus trabajos, en el que destaca la relación entre voltaje, corriente y resistencia, conocida como la ley de Ohm, que indica que Voltaje = Intensidad por Resistencia, que es la base de la teoría de circuitos. A esta misma conclusión llegó Henry Cavendish varios años antes (parece que en 1781), pero no publicó sus resultados al no disponer de instrumentos de medida ni una fuente de corriente fiable, y hubo que esperar casi 100 años a que Maxwell hiciera publicos sus trabajos en 1879, y en ciencia el padre de una idea es el que la publica primero de forma razonada y detallada para que se puedan confirmar de manera independiente sus investigaciones. La unidad de resistencia electrica recibe el nombre de Ohmio en su honor.

Joseph Henry (EEUU 1797 - 1878)

De familia humilde tuvo que trabajar desde niño, comenzó en unos almacenes y a los 13 años era aprendiz de relojero, a los 16 lee un libro sobre ciencia, estudia y logra alcanzar plaza de profesor en 1826. Fue conferenciante y también un gran administrador, bajo su dirección avanzaron varias sociedades científicas americanas.

Tuvo la costumbre de publicar tarde sus resultados. Conociendo el experimento de Ørsted, sus experimentos le llevan a descubrir la inducción electromagnética en 1830, pero al no publicar sus resultados el descubrimiento se atribuye a Faraday, el primer motor eléctrico en 1832, y el telégrafo en 1831, haciendo efectivo en 1835 para largas distancias, pero no lo patentó, y fué Morse con ayuda de Henry y financiación del Congreso de los Estados Unidos el que montó la primera línea telegráfica.

Johann Carl Friedrich Gauss (Alemania, 1777-1855)

Gauss fue un gran matemático, interesado por muchos temas, como la astronomía o la física. En este campo, junto a su amigo Wilhelm Weber, profesor de física en Gotinga, realizaron investigaciones importantes en magnetismo. Su principal contribución a la electricidad es la Ley de Gauss, que relaciona las cargas con el campo eléctrico,lo que permitió desarrollar por ejemplo las Leyes de Kirchoff para el análisis de los circuitos. En el sistema CGS la unidad de intensidad del campo magnético se mide en Gauss (en el sistema métrico decimal se mide en Teslas).​

Michael Faraday (Inglaterra, 1791-1867)

No tuvo un educación formal, su profesora se burlaba de el por no pronunciar bien, su padre le sacó del colegio, y acabó como aprendiz de encuadernador, lo que le dio la oportunidad de leer muchos libros de ciencia, por inteligencia, energía y tesón acabó siendo uno de los científicos mas influyentes del momento y uno de los grandes de la historia. Estudió temas importantes en química, donde comenzó como asistente de Humphry Davy, investigando en gases y en compuestos de Carbono. En este campo cabe destacar una invención suya que dio lugar el Mechero Bunsen, que es usado desde entonces en todo laboratorio químico. También contribuyó en el estudio de la polarización de la luz, y fue uno de los que comenzaron el estudio de la electro-química.

Estudió como las corrientes en un cable cambiaban el campo magnético, definiendo las leyes de la inducción magnética en 1831, lo que dio lugar al primer generador que desarrolló entre 1831 y 1832, y posteriormente definió o que se conoce como Ley de Faraday, que relaciona la velocidad del movimiento del cable con el campo magnético producido. También es importante por descubrir lo que se denomina Jaula de Faraday, que permite evitar las interferencias en los circuitos eléctricos.

Sus trabajos fueron fundamentales para el desarrollo de los motores eléctricos. El nombre de la unidad de capacidad eléctrica, con la que se miden los condensadores o capacitores, se denomina Faradio en su honor.  

Además de la pare teórica, creó el primer motor eléctrico, el Motor Homopolar, aunque no sirve para mover algo. En un tarro con mercurio introdujo un imán y un cable, al proporcionar electricidad al cable este comienza a girar alrededor del imán. Hoy día se reemplaza el mercurio por salmuera, que es menos tóxico.

Heinrich Friedrich Lenz (Actual Estonia, 1804-1865)

Imitó a Darwin dando la vuelta al mundo en un viaje científico, donde estudió el clima y el agua marina. En el tema de la electricidad definió la ley de Lenz en 1834, estableciendo la relación entre la variación del flujo magnético y la dirección y fuerza de la corriente eléctrica. También preparó el campo para lo que se conoce como Ley de Joule por ser ampliada y mejorada por este, en la que se relaciona la conductividad con la temperatura.

Jean Peltier (Francia, 1785-1845)

Aunque trabajó como relojero con Breguet hasta los 30 años. luego pasó a la ciencia, donde descubrió el efecto Peltier en 1834, aplicando electricidad a dos placas de diferentes materiales, una se enfría mientras la otra se calienta, lo que es usado en neveras portátiles hoy día. ), y la inducción electrostática en 1840, definiendo como las cargas estáticas influyen en objetos cercanos sin necesidad de contacto.