Generadores electrostáticos: Historia de la electricidad estática

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La historia de la ciencia y la tecnología es un constante devenir de descubrimientos y mejoras. Un gran ejemplo esto son las máquinas o generadores electrostáticos. En este pequeño ensayo vamos a ver la historia de la electricidad de forma cronológica a través de los descubrimientos relacionados con la electrostática y sus aplicaciones técnicas, sobre todo en forma de generadores, desde que se descubrió que frotando el ámbar atraía ciertos objetos y no se sabía bien por qué hasta los generados más modernos que ahora mismo son máquinas obsoletas que se utilizan para enseñanza y para juegos recreativos de física.

Un generador electrostático es capaz de generar altos voltajes pero con corrientes muy pequeñas. Se basan en la fricción, a partir de energía mecánica que tenemos que aportar nosotros para conseguir la fricción de dos materiales una parte se transforma en calor y la otra en energía electrostática.

Antigua Grecia. Los inicios.

Hay referencias a la atracción de objetos por parte del ámbar después de frotarlo con tela o piel, pero no se pasó de ahí. Nadie pensó en que se podía generar esta atracción de forma continua y darle un uso práctico.

Como he dicho, se describe el efecto pero no se investiga más. No se producirán avances importantes en este campo hasta el siglo XVII con William Gilbert y Otto von Guericke y sobre todo en el siglo XVIII gracias a los trabajos de Franklin, Priestlye y Coulomb.

Fenómenos naturales

Desde el antiguo Egipto se han detallado efectos relacionados con la electricidad, desde peces que daban descargas, hasta los rayos, pero nadie había entendido estos fenómenos ni los había relacionado. Eran un misterio.

En el 585 a.C, el filósofo griego Tales de Mileto estudió las propiedades de la piedra imán que atraía al hierro comparándola con la de ámbar que atrae a muchos tipos de objetos. Fue el primero en citar esta propiedad del ámbar. En griego ámbar se dice Elektron.

Siglo XVII empieza la revolución

Aquí empieza a despegar el asunto. Empiezan a hacer cada vez más descubrimientos relacionados con la electricidad con un punto álgido en la segunda mitad del siglo XIX

William gilbert dio el nombre de electricidad
William Gilbert (1544 – 1603)

William Gilbert en 1600 descubrió que el cristal de roca y algunas gemas también atraen objetos, como el ámbar, al ser frotados. A todas estas sustancias las llamó eléctricas por tener la misma propiedades que el ámbar que como hemos dicho en griego se decía Elektron y al fenómeno se denominó electricidad. Esta expresión aparece su famoso libro De Magnete.

Ya tenemos aquí nuestra querida electricidad. Como esta electricidad parecía permanecer en los cuerpos si no había alguna variación que los modificara, se le acabó llamando electricidad estática.

William Gilbert también inventó el electroscopio una herramienta que permite saber si un cuerpo está cargado o no

En el blog Cómo hacer un electroscopio casero

La bola de azufre de Otto von Guericke

La bola de azufre de Otto von Guericke

En 1660 Otto von Guericke (1602-1686), famoso por sus experimentos de vacío y por inventar la bomba de aire en 1645 inventó el primer generador electrostático simple. Consistía en una bola o un globo de azufre que giraba en torno a un eje con una manivela y generaba electricidad al frotarse contra la mano.

Se podía cargar y descargar indefinidamente y consiguió hasta producir chispas con su bola electrificada.

Guericke fabricó su bola vertiendo azufre fundido en una esfera de vidrio hueca. Una vez que se enfrió el azufre, se rompió el molde de vidrio. Más tarde descubrirían que la propia esfera de vidrio conseguí los mismos resultados por sí misma.

Lámpara de descarga de mercurio y generador de Hauksbee

Continua la investigación científica y aparece el primer uso realmente práctico.

generador de Hauksbee

En 1706 éste físico inglés construyó una esfera de cristal que giraba con una manivela y que mediante fricción generaba una carga eléctrica mayor que la de la bola de azufre.

Se había observado que si se agitaba el dispositivo barométrico de mercurio inventado por Evangelista Torricelli y se miraba la parte vacía en la oscuridad, emitía luz. Así en 1730 Francis Hauksbee, inventó la primera lámpara de descarga de gas de mercurio. Diseñó una máquina que consistía en un rotor para frotar un pequeño disco de ámbar en una cámara de vacío y cuando en esa cámara había vapor de mercurio se encendía.

Usos extraños

Cómo he contado en el apartado de la bola de azufre, el molde de cristal funcionaba igual de bien que el azufre para hacer un generador electrostático. Así Winkler montó su máquina electrostática usando como rotor vasos de cerveza (esta anéctoda solo la he encontrado en una web y no he conseguido contrastar la información. La dejo por que me parece curiosa y creíble, pero cogedla con cuidado)

La electricidad electrostática y sus máquinas se convirtieron en el siglo XVIII en un juguete con el que la gente quería experimentar. La gente quería sentir una descarga eléctrica y surgieron dispositivos como el de «el beso eléctrico«, donde se colocaba a una pareja en plataformas de forma que se cargaran de electricidad estática y al darse un beso saltara una chispa.

el beso eléctrico, juego de salón del siglo XIX para exoperimentar la electricidad

Y como siempre aparecieron los charlatanes que se aprovechaban de la gente asegurando que podían curar enfermedades con descargas eléctricas. Al igual que hicieron con las propiedades magnéticas y hoy en día hacen con todo tipo de productos, piedras, lejía y demás. Nunca se ha salvado la humanidad de la picaresca y los timadores.

La botella de Leyden

La botella de leyden

En 1745, Ewald Jürgen von Kleist (1700-1748) inventó la botella de Leyden o tarro de Leyden. Mientras intentaba encontrar una forma de almacenar la energía eléctrica se le ocurrió utilizar una botella llena de agua o de mercurio. Al año siguiente y de forma independiente el físico Cunnaeus llegó a la misma solución en Leyden, en los Países Bajos. Éste es el nombre que actualmente conocemos para el invento.

La botella de Leyden es el precursor de los condensadores y de su estudio e innovación surgieron estos elementos. Tras estudiar qué sustancias eran mejores para almacenar la energía dentro de la botella se dieron cuenta de que si dejabas la botella vacía y le añadías una capa de metal dentro y fuera de la botella también se almacenaba la energía electrostática.

Y esto ya es una condensador actual. Dos láminas de metal separadas por un dieléctrico.

Y así llegamos a la primera víctima conocida y registrada por electrocución (sin contar la gente muerta por rayos, claro está). Para conseguir cargas más elevadas empezaron a conectar varias botellas de Leyden formando una batería.

batería de botellas de leyden

Y aunque el abad francés Nollet había demostrado que que pequeños animales como pájaros y peces morían instantáneamente por la descarga de una jarra de Leyden, nadie se imaginaba el peligro que podría llegar a entrañar esta nueva energía con la que jugaban.

El 6 de agosto de 1783 en San Petersburgo el profesor Richman y sus asistente fueron alcanzados por un rayo proveniente de unos condensadores que estaban cargando. Al asistente no le ocurrió nada pero Richman murió inmediatamente. El informe médico decía:

sólo tenía un pequeño agujero en la frente, un zapato izquierdo quemado y una mancha azul en el pie. […] el cerebro estaba bien, la parte delantera del pulmón sana, pero la parte trasera marrón y negro de sangre.

Cómo construir una botella de Leyden casera.

Benjamin Franklin y el pararrayos

Benjamin Franklin y el descubrimiento del pararrayos con una cometa

Posiblemente la historia más conocida de la electrostática sea la de Benjamin Franklin y sus cometas en días de tormenta. Benjamin Franklin era un entusiasta de las botellas de Leyden.

Propuso que cuando había un exceso de fluido eléctrico se le llamara electricidad positiva y cuando había deficiencia, electricidad negativa.

Observando como se descargaban las botellas de Leyden observó que al agotarse emitía una chispa muy similar a un sonido, un chasquido, similar al trueno.

En 1745 comenzó con sus experimentos de electricidad. Tenía la intuición de que los rayos eran carga eléctrica y quería demostrarlo.

En 1751 hizo volar una cometa con una punta metálica en una tormenta, iba unida a un hilo de seda. Al final, cerca de Franklin, había un segundo hilo con una llave de metal. Llegó a almacenar energía proveniente de rayos en botellas de Leyden.

Enseguida encontró una aplicación práctica para sus experiencia, el pararrayos. Había observado que las botellas se descargaban antes si tenían una aguja, y como había llegado a la conclusión de que los rayos iban a los edificios es estaban cargados, pensó en poner una varilla metálica puntiaguda y conectarla al suelo para que se descargara.

En 1752 publicó sus ideas en Poor Richard’s Almanac y fue un éxito pues se comenzó a instalar pararrayos por los edificios.

Ley de Coulomb

En 1785 enunció su famosa ley.

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

De sus experiencias se dedujo que la fuerza ejercida entre dos cargas eléctricas en reposo (electrostáticas), situadas en el vacío y cuyas dimensiones son pequeñas respecto a la distancia que las separa, tienen las siguientes características (para cargas que sean puntuales):

  1. Actúa en la dirección de la recta que une ambas cargas.
  2. Es atractiva si las cargas son de distingo sigo y repulsiva si son del mismo
  3. Es proporcional al producto de las cantidades de las cargas
  4. Es inversamente proporcional al cuadrado de las distancias que las separa.

En el Sistema Internacional de unidades, la unidad de carga eléctrica es el culombio (C) que se define partiendo de la unidad fundamental de intensidad de corriente I que es el Amperio (A)


El rotor de disco y la pila

En 1800 aparecen los primeros generadores basado en discos. Su inventor fue Winter, se sustituye la mano por un cojín de cuero preparado con mercurio para la fricción con lo que se consigue un resultado más continuo.

En la misma época, sobre 1799, se realizaron los primeros experimentos electrolíticos donde se obtenían el mismo o mejor resultado que con botellas de Leyden.

En 1800 Alessandro Volta dio a conocer la primera pila eléctrica, la pila voltaica que supuso toda una revolución ya que superaba muchos de los problemas dela electrostática y permitía generar energía de forma continua y a voluntad. La cronología de la historia de las pilas químicas las trataré en otro ensayo.

Generador eléctrico y Jaula de Faraday

En 1836 Faraday descubre este fenómeno por el cual el campo electromagnético en el interior de un conductor en equilibrio es nulo.

Hoy en día se utiliza este concepto como protección de sobretensiones en muchos equipos de radios, discos duros, televisión, repetidores y para proteger los equipos electrónicos en los aviones y evitar que un rayo los queme.

Anteriormente en 1831 había inventado el generador eléctrico de corriente continua, Una dinámo. Descubrió que si movemos un circuito cerrado en un campo magnético se genera una fuerza electro motriz.

La máquina de Wimshurst

Generador electrostático máquina de Wimshurst

Son los generadores de discos electrostáticos más avanzados y suponen la cúspide de este tipo de máquinas que poco a poco fue quedando relegada a curiosidad científica y juguete para niños.

Es un generador de cargas eléctricas por inducción electrostática. En este apartado desarrollaron generadores de este tipo Wilhelm Holtz (1865 y 1867), August Toepler (1865), y J. Robert Voss (1880). Pero eran máquinas menos eficientes y con tendencia a cmabiar mucho de polaridad.

La máquina de Wimshurst solucionó todos estos problemas. Se consiguen voltajes de 200.000 a 300.000 voltios.

Se obtuvieron muy buenos resultados y se llegaron a utilizar para alimentar tubos de rayos X.

En el blog Cómo hacer una máquina de Wimshurst


La bobina de inducción de Ruhmkorff

La bobina de inducción de

En 1857 Heinrich Daniel Ruhmkorf inventó la bobina de inducción, una especie de transformador que permite enviar pulsos de alta tensión a partir de corriente continua de baja tensión.

Este descubrimiento fue el que empezó a relegar a todas las máquinas electrostáticas. Las dejó obsoletas.


El generador Van De Graaff

Generador electrostático de Van de Graaff
De Zátonyi Sándor, (ifj.) Fizped – Trabajo propio, CC BY 3.0,

Damos un salto temporal y nos vamos a 1931, Robert Van de Graaff inventa el generador que lleva su nombre para generar altas tensiones del orden de los 20 millones de Voltios para acelerar partículas en laboratorio.. En su primer modelo reportó 1,5 millones de Voltios.

Se trata de un generador de corriente continua. Envía las cargas por la correa hacia un elemento hueco, normalmente una esfera.

El potencial más alto sostenido por un acelerador de Van de Graff es de 25.5 MV, alcanzado por Tandem en “Holifield Radioactive Ion Beam Facility” en “Oak Ridge National Laboratory”

En Ikkaro Cómo hacer un generador de Van de Graaff


El generador electrostático de vapor

Quiero citar este generador porque su funcionamiento se basa en un principio diferente a los que hemos visto hasta ahora.

El vapor húmedo que se presiona a través de una boquilla provoca una carga eléctrica. Se trataba de máquinas difíciles de mantener y muy costosas pero que en su día dieron buenos resultados.

Conclusión

La electricidad ha tenido grandes avances técnicos y teóricos desde el siglo XVII hasta nuestros días. Siendo la segunda mitad del siglo XIX un apoteosis ingenieril con cientos de avances y modificaciones.

En este ensayo hemos seguido la evolución de la electricidad estática a través de los generadores electrostáticos que se fabricaron. Desde su descubrimiento hasta que los últimos generadores.

Como habrás visto, aunque lo he mencionado, no he adentrado ni en las pilas eléctricas, electrolisis, ni en la generación de corriente continua, alterna, la guerra de las corrientes, ni en una gran variedad de temas relacionados con la historia de la electricidad, pero es un tema tan tan amplio que he querido acotar centrándome en la electrostática, que digamos supone la primera etapa desde el descubrimiento de la electricidad.

Si ves que me he dejado algún punto importante en el campo de la electrostática o de los inventores, ingenieros y científicos que la estudiaron no dudes en dejarme un comentario.

Fuentes

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