Electricidad: Los orígenes

Primeros descubrimientos

El fenómeno de la electricidad era conocido desde la antigua Grecia y su nombre mismo es de origen griego. Electricidad proviene de la palabra griega electrón, es decir, “ámbar”, ya que era conocida la propiedad del ámbar de generar electricidad estática al ser frotado y atraer pequeños trocitos de tela o papel y el concepto de fuerza eléctrica tuvo su origen en experimentos muy sencillos como la frotación de dos cuerpos entre sí. Cuando se frota una varilla de vidrio o de ámbar con un trapo o una piel, aquéllas atraen pequeños trocitos de papel. Si se frota una barra de ámbar con un trozo de piel y se suspende de un hilo y se le aproxima una segunda barra de ámbar, frotada también con una piel, se observa que ambas barras se repelen. Lo mismo sucede si las dos barras son de vidrio pero frotadas con un trozo de seda. Sin embargo, si se aproxima una barra de ámbar frotada con una piel a una barra de vidrio frotada con un paño de seda, ambas suspendidas de sendos hilos, se observa que las barras se atraen entre sí. Esto permitió concluir que existían dos tipos de electricidad, la relacionada con el vidrio y la relacionada con el ámbar, de modo que los cuerpos con electricidades del mismo tipo se repelen mientras que con distinto tipo se atraen.

El fluido eléctrico

Los avances que se realizaron en la comprensión de los fenómenos relacionados con la electricidad desde la época de los griegos hasta los comienzos del siglo XIX no fueron muchos. Stephen Gray (1670-1736), tintorero de profesión, experimentador aficionado y colaborador de la Royal Society, descubrió que la electricidad se podía transmitir por un hilo metálico (a una distancia de unos 200 metros) y distinguió entre conductores y aislantes. Como en el caso del calor, la electricidad se concebía como un fluido que podía pasar de unos cuerpos a otros y, de hecho, aún hoy se habla de “fluido eléctrico”.

Experimento de Stephen Gray sobre la conducción de la electricidad.

Charles F. Dufay (1698-1739), químico y administrador del Jardín del Rey, comprendió las distintas propiedades de la electricidad de distinto signo y supuso que existían dos clases de electricidad: la producida frotando sustancias vítreas como el cristal o la mica, y la producida por el ámbar frotado, el lacre, la vulcanita y otras sustancias resinosas. Asignó a estas dos clases de electricidad unos fluidos eléctricos, uno denominado “vítreo” y el otro conocido como “resinoso”. Se suponía que los cuerpos eléctricamente neutros contenían cantidades equilibradas de ambos fluidos eléctricos, mientras que los cuerpos cargados eléctricamente tenían un exceso de electricidad resinosa o vítrea. En 1734 Dufay estableció que “la característica de ambas electricidades es que un cuerpo cargado con electricidad vítrea repele a todos los demás cargados con la misma electricidad y, por el contrario, atrae a los que poseen electricidad resinosa”.

Charles F. Dufay (1698-1739).

La botella de Leyden

Por aquella época la electricidad se almacenaba en un dispositivo denominado botella de Leyden desarrollada por Pieter van Musschenbroek (1692-1761), profesor de matemáticas de la ciudad de Leyden (Holanda), a partir de un diseño realizado por Ewald Jurgen von Kleist (1700-1748) en 1745 formado por una botella de cristal con agua sellada con un corcho a través del cual se introducía un clavo hasta tocar el agua. Para cargar eléctricamente la botella se acercaba la cabeza del clavo a la máquina de fricción. Cuando la botella estaba cargada, si se acercaba a la cabeza del clavo un cuerpo no electrificado saltaba una fuerte chispa entre ambos. Musschenbroek recubrió el interior y el exterior de la botella hasta la mitad con panes de plata, de este modo el cristal de la botella hace el papel del aislante o dieléctrico del condensador. Si el pan exterior está conectado a tierra y el interior con un cuerpo electrizado, o viceversa, la electricidad (sea vítrea o resinosa) trata de escapar al suelo pero es detenida por la capa de cristal. Este dispositivo permitía acumular grandes cantidades de electricidad y se podían extraer chispas impresionantes conectando el interior y el exterior de la botella con un alambre. La primitiva botella de Leyden se ha convertido hoy en varios tipos de condensadores.

Botella de Leyden.

Benjamin Franklin (1706-1790), que comenzó a interesarse por la física a la edad de cuarenta años, concluyó que sólo existe un tipo de fluido eléctrico (la electricidad vítrea), en vez de dos como se admitía hasta entonces, y dos tipos de estados de electrización, una como la del vidrio y otra como la del ámbar, y llamó a la primera positiva y a la segunda negativa. De este modo, si un cuerpo tiene exceso de fluido eléctrico aparece con electricidad positiva (vítrea), y si tiene defecto la tiene negativa (resinosa). Cuando dos cuerpos, uno de los cuales tiene un exceso y el otro una deficiencia de fluido eléctrico, se juntan, la corriente eléctrica debe fluir desde el primer cuerpo, donde está en exceso, al segundo, donde falta. En 1754 identificó el rayo como una descarga eléctrica después de enviar cometas a las nubes tormentosas para recoger electricidad de ellas y desde entonces se le conoce como el padre del pararrayos. La cuerda húmeda que sostenía la cometa servía como un perfecto conductor de la electricidad y con ella podían cargarse botellas de Leyden y obtener después chispas de ellas. Sus experimentos con el pararrayos y sus ideas políticas, opuestas a las monarquías absolutas, motivaron que en un busto suyo se escribiera que había “arrancado el rayo del cielo y el cetro del tirano”.

Benjamin Franklin (1706-1790).

Henry Cavendish (1731-1810), hombre extremadamente rico y extremadamente tímido y un personaje ciertamente solitario, fue uno de los primeros en utilizar el concepto de carga eléctrica. Hizo muchos experimentos y descubrimientos entre 1760 y 1800 como la medida de la capacidad de un condensador o el concepto de resistencia y desde luego fue uno de los científicos experimentales más grandes que han existido jamás. Sin embargo, sólo publicó dos artículos sobre electricidad y dejó veinte paquetes de manuscritos que quedaron en manos de sus parientes y no fueron conocidos hasta que, más de medio siglo después de la muerte de Cavendish, James Clerk Maxwell (1831-1879), por entonces director del Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, los puso en orden y los publicó en 1879.

Henry Cavendish (1731-1810).

La ley de Coulomb, el potencial y las máquinas electrostáticas

La ley que rige las fuerzas de atracción y repulsión entre cargas eléctricas fue descubierta y formulada en 1785 por Charles Augustin Coulomb (1736-1806), ingeniero militar francés que trabajó para Napoleón. trabajó para Napoleón y realizó importantes contribuciones en el campo de la elasticidad y la resistencia de materiales. En Física es conocido por la ley de Coulomb, aunque en el campo de la electrostática estudió las propiedades eléctricas de los conductores y demostró que si un conductor en equilibrio electrostático está cargado, su carga está en su superficie. En el año 1777 diseñó una balanza de torsión de gran sensibilidad formada por una varilla ligera que está suspendida de un largo y delgado hilo con dos esferas equilibradas a cada extremo. Con ayuda de esta balanza estableció de forma cuantitativa ocho años después la ley del inverso del cuadrado de la distancia para la interacción entre cargas eléctricas puntuales, conocida como ley de Coulomb. Según esta ley, la fuerza entre dos cargas puntuales es proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Esta fuerza es atractiva si las cargas son de distinto signo y repulsiva si el signo de las dos cargas es el mismo.

Charles Augustin Coulomb (1736-1806) y esquema de su balanza de torsión.

Siméon Denis Poisson (1781-1840), alumno de la Escuela Politécnica de París donde tuvo de profesores a Laplace y Lagrange y donde él mismo fue más tarde profesor, fue el primero en aplicar a la electricidad las ideas de Pierre Simon de Laplace (1749-1827) sobre el potencial gravitatorio. Introdujo el concepto de “potencial eléctrico” y en 1811 lo aplicó a la distribución de electricidad sobre una superficie en su obra “Memoria sobre la distribución de la electricidad sobre la superficie de los cuerpos conductores”. Poisson siguió pensando en términos de dos fluidos eléctricos aunque realmente estaba más interesado en la formalización matemática de las fuerzas entre cuerpos electrificados que la explicación física de los dos fluidos.

A pesar de los avances realizados en la comprensión de los fenómenos eléctricos, durante todo el siglo XVIII la única fuente de electricidad eran los generadores electrostáticos de rotación, tales como las construidas por Otto von Guericke (1602-1686), que producían electricidad estática por fricción y sólo eran capaces de suministrar descargas transitorias, lo que dificultaba el avance del estudio de la electricidad. Por esta razón, los primeros generadores electrostáticos son llamados máquinas de fricción al emplear la fricción como base en el proceso de generación. Era necesario, sin embargo, descubrir la forma de obtener un suministro estable y continuo de electricidad, es decir, de producir corriente eléctrica.

El galvanismo y la pila eléctrica

El precursor del descubrimiento de la corriente eléctrica continua fue el médico italiano Luigi Galvani (1737-1798) que estudió el efecto de la electricidad sobre los animales, siendo famosos sus experimentos con ancas de ranas realizados con máquinas eléctricas y botellas de Leyden. Galvani realizó un experimento, fechado el 20 de septiembre de 1786 en el diario de su laboratorio, en el cual empleaba una horquilla con un diente de cobre y otro de hierro con los cuales tocaba el nervio y el músculo del anca de una rana, la cual se contraía rápidamente a cada toque.

Experiencias de Galvani con ancas de rana.

Sin embargo, fue el también italiano Alessandro Volta (1745-1827) quien interpretó que los dos metales juntos (hierro y cobre) de los experimentos de Galvani producían la corriente eléctrica después de sumergirlos en una solución salina y las ancas de rana sólo reaccionaban ante ella. Volta llamó “galvanismo” a este fenómeno y hacia 1800 fue capaz de producir una corriente eléctrica con una pila de discos de estaño o zinc y cobre o plata alternados y separados por otros de cartón impregnados de una solución de sal. De esta pila de disco es de donde proviene el nombre de “pila” voltaica que se ha generalizado para designar a las baterías eléctricas de este tipo. Napoleón se interesó mucho por los descubrimientos de Volta y mandó construir una gran pila voltaica en la Escuela Politécnica de París.

Alessandro G. Volta (1745-1827).

Humphry Davy (1778-1829), científico de la Royal Institution de Londres, explicó en 1807 que el proceso generador de la electricidad lo constituyen los cambios químicos en la pila. Davy utilizó la pila de Volta para separar metales introduciendo los electrodos en disoluciones de sales, iniciando el proceso de electrolisis. Como anécdota señalar que ante la pregunta de cuál había sido su mayor descubrimiento, las respuesta de Davy fue “mi mayor descubrimiento ha sido Michael Faraday”. Precisamente Michael Faraday (1791-1867), trabajando con Davy, descubrió las leyes de la electrólisis.

Circuitos eléctricos

Georg Simon Ohm (1878-1854) aplicó al fenómeno de la electricidad por un alambre algunos descubrimientos hechos por Fourier sobre la propagación del calor, mediante una analogía entre la corriente eléctrica y la transmisión del calor. Obtuvo la relación entre diferencia de potencial, intensidad de corriente y resistencia conocida como ley de Ohm. Publicó sus resultados en un artículo titulado “el circuito galvánico investigado matemáticamente” y publicado en 1827. Sin embargo, su trabajo tuvo una mala acogida y hubo que esperar para que fuera reconocido hasta 1845, año en el que Gustav Kirchhoff (1824-1887), siendo estudiante en Könisberg, formuló las dos leyes de los circuitos que llevan su nombre: la ley de los nudos, relacionada con la conservación de la carga eléctrica, y la ley de las mallas, relacionada con la conservación de la energía.

Georg Simon Ohm (1878-1854).

BIBLIOGRAFÍA

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About Augusto Beléndez

Catedrático de Universidad de Física Aplicada en el Departamento de Física, Ingeniería de Sistemas y Teoría de la Señal de la Universidad de Alicante. Director del Instituto Universitario de Física Aplicada a las Ciencias y las Tecnologías (IUFACyT) así como del Grupo de Investigación "Holografía y Procesado Óptico" (GHPO) y del Grupo de Innovación Tecnológica-Educativa "Física, Óptica y Telecomunicaciones" (GITE-FOT).
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