Generadors electrostàtics: Història de l'electricitat estàtica

Generador electrostàtic màquina de Wimshurst. Generadors electrostàtics història

La història de la ciència i la tecnologia és un esdevenir constant de descobriments i millores. Un gran exemple, això són les màquines o generadors electrostàtics. En aquest petit assaig veurem la història de l'electricitat de forma cronològica a través de els descobriments relacionats amb l'electrostàtica i les aplicacions tècniques que tenen, sobretot en forma de generadors, des que es va descobrir que fregant l'ambre atreia certs objectes i no se sabia ben bé per què fins i tot els generats més moderns que ara mateix són màquines obsoletes que s'utilitzen per a ensenyament i per a jocs recreatius de física.

Un generador electrostàtic és capaç de generar alts voltatges però amb corrents molt petits. Es basen en la fricció, a partir d'energia mecànica que cal aportar nosaltres per aconseguir la fricció de dos materials una part es transforma en calor i l'altra en energia electrostàtica.

Antiga Grècia. Els inicis.

Hi ha referències a l'atracció d'objectes per part de l'ambre després de fregar-lo amb tela o pell, però no s'hi va passar. Ningú va pensar que es podia generar aquesta atracció de manera contínua i donar-li un ús pràctic.

Com he dit, es descriu l'efecte, però no s'investiga més. No es produiran avenços importants en aquest camp fins al segle XVII amb William Gilbert i Otto von Guericke i sobretot al segle XVIII gràcies als treballs de Franklin, Priestlye i Coulomb.

fenòmens naturals

Des de l'antic Egipte s'han detallat efectes relacionats amb l'electricitat, des de peixos que donaven descàrregues fins als raigs, però ningú no havia entès aquests fenòmens ni els havia relacionat. Eren un misteri.

El 585 aC, el filòsof grec Tales de Mileto va estudiar les propietats de la pedra imant que atreia el ferro comparant-la amb la d'ambre que atrau molts tipus d'objectes. Va ser el primer a citar aquesta propietat de l'ambre. En grec ambre es diu Elektron.

Segle XVII comença la revolució

Aquí comença a enlairar-se l'assumpte. Comencen a fer cada vegada més descobriments relacionats amb l'electricitat amb un punt àlgid a la segona meitat del segle XIX

William gilbert va donar el nom d'electricitat
William Gilbert (1544 – 1603)

William Gilbert el 1600 va descobrir que el vidre de roca i algunes gemmes també atrauen objectes, com l'ambre, en ser fregats. A totes aquestes substàncies les va anomenar elèctriques per tenir la mateixa propietats que l'ambre que com hem dit en grec es deia Elektron i el fenomen es va denominar electricitat. Aquesta expressió apareix el seu famós llibre De Magnete.

Ja tenim aquí la nostra estimada electricitat. Com que aquesta electricitat semblava romandre als cossos si no hi havia alguna variació que els modifiqués, se li va acabar anomenant electricitat estàtica.

William Gilbert també va inventar l'electroscopi una eina que permet saber si un cos està carregat o no

Al blog Com fer un electroscopi casolà

La bola de sofre d'Otto von Guericke

La bola de sofre d'Otto von Guericke

El 1660 Otto von Guericke (1602-1686), famós pels seus experiments de buit i per inventar la bomba d'aire el 1645 va inventar el primer generador electrostàtic simple. Consistia en una bola o un globus de sofre que girava al voltant d'un eix amb una maneta i generava electricitat en fregar-se contra la mà.

Es podia carregar i descarregar indefinidament i va aconseguir fins a produir espurnes amb la bola electrificada.

Guericke va fabricar la seva bola abocant sofre fos en una esfera de vidre buida. Quan es va refredar el sofre, es va trencar el motlle de vidre. Més tard descobririen que la mateixa esfera de vidre vaig aconseguir els mateixos resultats per ella mateixa.

Llum de descàrrega de mercuri i generador de Hauksbee

Continua la investigació científica i apareix el primer ús realment pràctic.

generador de Hauksbee

El 1706 aquest físic anglès va construir una esfera de vidre que girava amb una manovella i que mitjançant fricció generava una càrrega elèctrica més gran que la de la bola de sofre.

S'havia observat que si s'agitava el dispositiu baromètric de mercuri inventat per Evangelista Torricelli i es mirava la part buida a la foscor, emetia llum. Així el 1730 Francis Hauksbee, va inventar el primer llum de descàrrega de gas de mercuri. Va dissenyar una màquina que consistia en un rotor per fregar un petit disc d'ambre en una cambra de buit i quan en aquella cambra hi havia vapor de mercuri s'encenia.

Usos estranys

Com he explicat a l'apartat de la bola de sofre, el motlle de vidre funcionava igual de bé que el sofre per fer un generador electrostàtic. Així Winkler va muntar la seva màquina electrostàtica usant com a rotor gots de cervesa (aquesta anèctoda només l'he trobada a un web i no he aconseguit contrastar la informació. La deixo perquè em sembla curiosa i creïble, però agafeu-la amb compte)

L'electricitat electrostàtica i les seves màquines es van convertir al segle XVIII en una joguina amb què la gent volia experimentar. La gent volia sentir una descàrrega elèctrica i van sorgir dispositius com el de «el petó elèctric«, on es col·locava una parella en plataformes de manera que es carreguessin d'electricitat estàtica i en fer-se un petó saltés una espurna.

el petó elèctric, joc de saló del segle XIX per experimentar l'electricitat

I com sempre van aparèixer els xerraires que s'aprofitaven de la gent assegurant que podien curar malalties amb descàrregues elèctriques. Igual que van fer amb les propietats magnètiques i avui dia fan amb tot tipus de productes, pedres, lleixiu i altres. Mai no s'ha salvat la humanitat de la picaresca i els estafadors.

L'ampolla de Leyden

L'ampolla de llegiu

El 1745, Ewald Jürgen von Kleist (1700-1748) va inventar l'ampolla de Leyden o pot de Leyden. Mentre intentava trobar una forma d'emmagatzemar l'energia elèctrica, se li va acudir utilitzar una ampolla plena d'aigua o de mercuri. A l'any següent i de forma independent el físic Cunnaeus va arribar a la mateixa solució a Leyden, als Països Baixos. Aquest és el nom que coneixem actualment per a l'invent.

L'ampolla de Leyden és el precursor dels condensadors i del seu estudi i innovació van sorgir aquests elements. Després d'estudiar quines substàncies eren millors per emmagatzemar l'energia dins de l'ampolla, es van adonar que si deixaves l'ampolla buida i afegies una capa de metall dins i fora de l'ampolla també s'emmagatzemava l'energia electrostàtica.

I això ja és una condensador actual. Dues làmines de metall separades per un dielèctric.

I així arribem a la primera víctima coneguda i registradóna per electrocució (sense comptar la gent morta per raigs, és clar). Per aconseguir càrregues més elevades van començar a connectar diverses ampolles de Leyden formant una bateria.

bateria d'ampolles de llegenda

I encara que l'abat francès Nollet havia demostrat que que petits animals com ocells i peixos morien instantàniament per la descàrrega d'una gerra de Leyden, ningú no s'imaginava el perill que podria arribar a comportar aquesta nova energia amb què jugaven.

El 6 d'agost de 1783 a Sant Petersburg el professor Richman i els seus assistents van ser aconseguits per un llamp provinent d'uns condensadors que estaven carregant. A l'assistent no li va passar res, però Richman va morir immediatament. L'informe mèdic deia:

només tenia un petit forat al front, una sabata esquerra cremada i una taca blava al peu. […] el cervell estava bé, la part davantera del pulmó sana, però la part del darrere marró i negre de sang.

Com construir una ampolla de Leyden casolana.

Benjamin Franklin i el parallamps

Benjamin Franklin i el descobriment del parallamps amb un estel

Possiblement la història més coneguda de l'electrostàtica sigui la de Benjamin Franklin i els seus estels en dies de tempesta. Benjamin Franklin era un entusiasta de les ampolles de Leyden.

Va proposar que quan hi havia un excés de fluid elèctric se li digués electricitat positiva i quan hi havia deficiència, electricitat negativa.

Observant com es descarregaven les ampolles de Leyden va observar que en esgotar-se emetia una espurna molt similar a un so, un espetec, similar al tro.

El 1745 va començar amb els seus experiments d'electricitat. Tenia la intuïció que els raigs eren càrrega elèctrica i volia demostrar-ho.

El 1751 va fer volar un estel amb una punta metàl·lica en una tempesta, anava unida a un fil de seda. Al final, a prop de Franklin, hi havia un segon fil amb una clau de metall. Va arribar a emmagatzemar energia provinent de raigs en ampolles de Leyden.

De seguida va trobar una aplicació pràctica per a les seves experiències, el parallamps. Havia observat que les ampolles es descarregaven abans si tenien una agulla, i com que havia arribat a la conclusió que els raigs anaven als edificis estaven carregats, va pensar a posar una vareta metàl·lica punxeguda i connectar-la a terra perquè es descarregués.

El 1752 va publicar les seves idees a Poor Richard's Almanac i va ser un èxit doncs es va començar a instal·lar parallamps pels edificis.

Llei de Coulomb

El 1785 va enunciar la seva famosa llei.

la llei de Coulomb
De User: Dna-Dennis, CC BY 3.0,

De les seves experiències es va deduir que la força exercida entre dues càrregues elèctriques en repòs (electrostàtiques), situades al buit i les dimensions de les quals són petites respecte a la distància que les separa, tenen les següents característiques (per a càrregues que siguin puntuals):

  1. Actua a la direcció de la recta que uneix les dues càrregues.
  2. És atractiva si les càrregues són de distingeixo segueixo i repulsiva si són del mateix
  3. És proporcional al producte de les quantitats de les càrregues
  4. És inversament proporcional al quadrat de les distàncies que les separa.

Al Sistema Internacional d'unitats, la unitat de càrrega elèctrica és el coulomb (C) que es defineix partint de la unitat fonamental d'intensitat de corrent I que és l'Amperi (A)


El rotor de disc i la pila

El 1800 apareixen els primers generadors basat en discos. El seu inventor va ser Winter, se substitueix la mà per un coixí de cuir preparat amb mercuri per a la fricció de manera que s'aconsegueix un resultat més continu.

A la mateixa època, sobre 1799, es van realitzar els primers experiments electrolítics dos'obtenien el mateix o millor resultat que amb ampolles de Leyden.

En 1800 Alessandro Volta va donar a conèixer la primera pila elèctrica, la pila voltaica que va suposar tota una revolució ja que superava molts dels problemes de l'electrostàtica i permetia generar energia de manera contínua ia voluntat. La cronologia de la història de les piles químiques les tractaré en un altre assaig.

Generador elèctric i Gàbia de Faraday

El 1836 Faraday descobreix aquest fenomen pel qual el camp electromagnètic a l'interior d'un conductor en equilibri és nul.

Avui dia s'utilitza aquest concepte com a protecció de sobretensions en molts equips de ràdios, discos durs, televisió, repetidors i per protegir els equips electrònics als avions i evitar que un llamp els cremi.

anteriorment el 1831 havia inventat el generador elèctric de corrent continu, una dinam. Va descobrir que si movem un circuit tancat en un camp magnètic es genera una força electromotriu.

La màquina de Wimshurst

Generador electrostàtic màquina de Wimshurst

Són els generadors de discos electrostàtics més avançats i suposen el cim d'aquest tipus de màquines que a poc a poc va anar quedant relegada a curiositat científica i joguina per a nens.

És un generador de càrregues elèctriques per inducció electrostàtica. En aquest apartat van desenvolupar generadors d'aquest tipus Wilhelm Holtz (1865 i 1867), August Toepler (1865) i J. Robert Voss (1880). Però eren màquines menys eficients i amb tendència a canviar molt de polaritat.

La màquina de Wimshurst va solucionar tots aquests problemes. S'aconsegueixen voltatges de 200.000 a 300.000 volts.

S'obtingueren molt bons resultats i es van arribar a utilitzar per alimentar tubs de raigs X.

Al blog Com fer una màquina de Wimshurst


La bobina d'inducció de Ruhmkorff

La bobina d'inducció de

El 1857 Heinrich Daniel Ruhmkorf va inventar la bobina d'inducció, una mena de transformador que permet enviar polsos d'alta tensió a partir de corrent continu de baixa tensió.

Aquest descobriment va ser el que va començar a relegar totes les màquines electrostàtiques. Les va deixar obsoletes.


El generador Van De Graaff

Generador electrostàtic de Van de Graaff
De Zátonyi Sándor, (ifj.) Fizped – Treball propi, CC BY 3.0,

Donem un salt temporal i anem a 1931, Robert Van de Graaff inventa el generador que porta el seu nom per generar altes tensions de l'ordre dels 20 milions de Volts per accelerar partícules al laboratori. En el seu primer model va reportar 1,5 milions de Volts.

Es tracta d'un generador de corrent continu. Envia les càrregues per la corretja cap a un element buit, normalment una esfera.

El potencial més alt sostingut per un accelerador de Van de Graff és de 25.5 MV, aconseguit per Tandem a “Holifield Radioactive Ion Beam Facility” a “Oak Ridge National Laboratory”

en Ikkaro Com fer un generador de Van de Graaff


El generador electrostàtic de vapor

Vull citar aquest generador perquè el seu funcionament es basa en un principi diferent dels que hem vist fins ara.

El vapor humit que es pressiona mitjançant un filtre provoca una càrrega elèctrica. Es tractava de màquines difícils de mantenir i molt costoses però que al seu dia van donar bons resultats.

Conclusió

L'electricitat ha tingut grans avenços tècnics i teòrics des del segle XVII fins als nostres dies. La segona meitat del segle XIX és una apoteosi enginyeril amb centenars d'avenços i modificacions.

En aquest assaig hem seguit l‟evolució de l‟electricitat estàtica a través dels generadors electrostàtics que es van fabricar. Des del seu descobriment fins que els darrers generadors.

Com hauràs vist, encara que ho he esmentat, no he endinsat ni a les piles elèctriques, electròlisi, ni a la generació de corrent continu, alterna, la guerra dels corrents, ni en una gran varietat de temes relacionats amb la història de l'electricitat , però és un tema tan tan ampli que he volgut fitar centrant-me en l'electrostàtica, que diguem que suposa la primera etapa des del descobriment de l'electricitat.

Si veus que m'he deixat algun punt important al camp de l'electrostàtica o dels inventors, enginyers i científics que la van estudiar no dubtis a deixar-me un comentari.

fonts

Deixa un comentari