Una botella de Leyden (o tarro de Leiden o tarro Kleistian ) es un componente eléctrico que almacena una alta tensión de carga eléctrica (de una fuente externa) entre conductores eléctricos en el interior y exterior de un frasco de vidrio. Por lo general, consiste en un frasco de vidrio con una lámina metálica cementada en las superficies interior y exterior, y un terminal metálico que se proyecta verticalmente a través de la tapa del frasco para hacer contacto con la lámina interior. Era la forma original del condensador [1] (también llamado condensador ). [2]
Su invención fue un descubrimiento realizado independientemente por el clérigo alemán Ewald Georg von Kleist el 11 de octubre de 1745 y por el científico holandés Pieter van Musschenbroek de Leiden (Leyden) en 1745-1746. [3] La invención lleva el nombre de la ciudad.
La jarra de Leyden se utilizó para realizar muchos de los primeros experimentos en electricidad, y su descubrimiento fue de fundamental importancia en el estudio de la electrostática . Fue el primer medio de acumular y preservar la carga eléctrica en grandes cantidades que podrían descargarse a voluntad del experimentador, superando así un límite significativo para las primeras investigaciones sobre la conducción eléctrica. [4] Los frascos de Leyden todavía se utilizan en la educación para demostrar los principios de la electrostática.
Historia
Los antiguos griegos ya sabían que las piezas de ámbar podían atraer partículas ligeras después de frotarlas. El ámbar se electrifica por efecto triboeléctrico , [una] separación mecánica de carga en un dieléctrico . La palabra griega para ámbar es ἤλεκτρον ("ēlektron") y es el origen de la palabra "electricidad". [5] Se cree que Tales de Mileto, un filósofo presocrático, comentó accidentalmente el fenómeno de la carga electrostática, debido a su creencia de que incluso las cosas sin vida tienen alma, de ahí la analogía popular de la chispa. [6]
Alrededor de 1650, Otto von Guericke construyó un tosco generador electrostático : una bola de azufre que giraba sobre un eje. Cuando Guericke sostuvo su mano contra la pelota y giró el eje rápidamente, se acumuló una carga eléctrica estática . Este experimento inspiró el desarrollo de varias formas de "máquinas de fricción", que ayudaron mucho en el estudio de la electricidad.
La jarra de Leyden fue efectivamente descubierta de forma independiente por dos partes: el diácono alemán Ewald Georg von Kleist , quien hizo el primer descubrimiento, y los científicos holandeses Pieter van Musschenbroek y Andreas Cunaeus, quienes descubrieron cómo funcionaba solo cuando se sostenía en la mano. [7]
El tarro de Leyden es un dispositivo de alto voltaje; se estima que, como máximo, los primeros frascos de Leyden podrían cargarse a 20.000 a 60.000 voltios. [8] El electrodo de varilla central tiene una bola de metal en el extremo para evitar la fuga de la carga al aire por descarga de corona . Se utilizó por primera vez en experimentos electrostáticos y más tarde en equipos de alto voltaje como transmisores de radio de chispa y máquinas de electroterapia .
Von Kleist
Ewald Georg von Kleist descubrió la inmensa capacidad de almacenamiento del frasco de Leyden mientras trabajaba bajo una teoría que consideraba la electricidad como un fluido, y esperaba que un frasco de vidrio lleno de alcohol "capturara" este fluido. [9] Fue diácono de la catedral de Camin en Pomerania.
En octubre de 1745 von Kleist intentó acumular electricidad en un pequeño frasco de medicina lleno de alcohol con un clavo insertado en el corcho. Estaba siguiendo un experimento desarrollado por Georg Matthias Bose en el que se había enviado electricidad a través del agua para encender los espíritus alcohólicos. Intentó cargar la botella con un gran conductor principal (inventado por Bose) suspendido sobre su máquina de fricción.
Kleist estaba convencido de que se podía recoger y mantener una carga eléctrica sustancial dentro del vidrio, lo que sabía que constituiría un obstáculo para el escape del "fluido". Recibió un impacto significativo del dispositivo cuando accidentalmente tocó el clavo a través del corcho mientras aún sostenía la botella en su otra mano. Comunicó sus resultados a al menos cinco experimentadores eléctricos diferentes, [10] en varias cartas desde noviembre de 1745 hasta marzo de 1746, pero no recibió ninguna confirmación de que hubieran repetido sus resultados, hasta abril de 1746. [11] Daniel Gralath se enteró de la enfermedad de Kleist. experimento de ver la carta a Paul Swietlicki, escrita en noviembre de 1745. Después del primer intento fallido de Gralath de reproducir el experimento en diciembre de 1745, escribió a Kleist para obtener más información (y le dijeron que el experimento funcionaría mejor si el tubo estaba medio lleno con alcohol). Gralath (en colaboración con Gottfried Reyger ) logró obtener el efecto deseado el 5 de marzo de 1746, sosteniendo un pequeño frasco de vidrio con un clavo en una mano, acercándolo a un generador electrostático y luego moviendo la otra mano cerca de la uña. [12] Kleist no entendió el significado de su mano conductora sosteniendo la botella, y tanto él como sus corresponsales se mostraron reacios a sostener el dispositivo cuando se les dijo que el impacto podría arrojarlos al otro lado de la habitación. Pasó algún tiempo antes de que los estudiantes asociados de Kleist en Leyden se dieran cuenta de que la mano proporcionaba un elemento esencial. [ cita requerida ]
Musschenbroek y Cunaeus
La invención de la jarra de Leyden se atribuyó durante mucho tiempo a Pieter van Musschenbroek , el profesor de física de la Universidad de Leiden , quien también dirigía una fundición familiar que fundía cañones de latón, y una pequeña empresa ( De Oosterse Lamp - "The Eastern Lamp") que hizo científicos y instrumentos médicos para los nuevos cursos universitarios de física y para científicos que quieran establecer sus propios "gabinetes" de curiosidades e instrumentos .
A Ewald Kleist se le atribuye el mérito de haber utilizado primero la analogía del fluido para la electricidad y se lo demostró a Bose extrayendo chispas del agua con el dedo. [13]
Al igual que Kleist, Musschenbroek también estaba interesado e intentaba repetir el experimento de Bose. [14] Durante este tiempo, Andreas Cunaeus, un abogado, se enteró de este experimento visitando el laboratorio de Musschenbroek y Cunaeus intentó duplicar el experimento en casa con artículos para el hogar. [15] Usando un vaso de cerveza, [ cita requerida ] Cunaeus no pudo hacerlo funcionar. [ cita requerida ]
Cunaeus fue el primero en descubrir que una configuración tan experimental podría causar un impacto severo cuando sostuvo su jarra en la mano mientras la cargaba en lugar de colocarla en un soporte aislado, sin darse cuenta de que esa era la práctica estándar, por lo que se convirtió en parte del programa. circuito. [dieciséis]
Informó de su procedimiento y experiencia a Allamand , colega de Musschenbroek. Allamand y Musschenbroek también recibieron fuertes conmociones. Musschenbroek comunicó el experimento en una carta del 20 de enero de 1746 a René Antoine Ferchault de Réaumur , quien era el corresponsal designado de Musschenbroek en la Academia de París. El abad Nollet leyó este informe, confirmó el experimento y luego leyó la carta de Musschenbroek en una reunión pública de la Academia de París en abril de 1746 [17] (traducción del latín al francés). [18] El punto de venta de Musschenbroek en Francia para la venta de dispositivos de "gabinete" de su empresa fue el Abbé Nollet (que comenzó a construir y vender instrumentos duplicados en 1735 [19] ). Nollet luego le dio al dispositivo de almacenamiento eléctrico el nombre de "tarro de Leyden" y lo promovió como un tipo especial de frasco para su mercado de hombres ricos con curiosidad científica. El "tarro kleistiano" se promocionó, por tanto, como el tarro de Leyden y como descubierto por Pieter van Musschenbroek y su conocido Andreas Cunaeus. Musschenbroek, sin embargo, nunca afirmó que él lo había inventado, [20] y algunos piensan que Cunaeus fue mencionado sólo para restarle crédito. [21]
Nuevos desarrollos
Meses después del informe de Musschenbroek sobre cómo crear de manera confiable un frasco de Leyden, otros investigadores eléctricos estaban haciendo y experimentando con sus propios frascos de Leyden. [22]
Uno de sus intereses originales expresados fue ver si se podía aumentar el cargo total posible. [23]
Johann Heinrich Winckler , cuya primera experiencia con un solo frasco de Leyden se informó en una carta a la Royal Society el 29 de mayo de 1746, había conectado tres frascos de Leyden juntos en una especie de batería electrostática el 28 de julio de 1746. [24] Daniel Gralath informó en 1747 que en 1746 había realizado experimentos conectando dos o tres frascos, probablemente en serie . [25] En 1746-1748, Benjamin Franklin experimentó cargando frascos de Leyden en serie, [26] y desarrolló un sistema que involucraba 11 paneles de vidrio con placas delgadas de plomo pegadas a cada lado y luego conectadas entre sí. Usó el término "batería eléctrica" para describir su batería electrostática en una carta de 1749 sobre su investigación eléctrica en 1748. [27] Es posible que la elección de Franklin de la palabra batería se inspiró en el juego de palabras humorístico al final de su carta, donde escribió, entre otras cosas, sobre un saludo a los investigadores eléctricos desde una batería de armas . [28] Este es el primer uso registrado del término batería eléctrica . [29] Los múltiples y rápidos desarrollos para conectar los frascos de Leyden durante el período 1746-1748 dieron como resultado una variedad de relatos divergentes en la literatura secundaria sobre quién hizo la primera "batería" al conectar los frascos de Leyden, ya fueran en serie o en paralelo, y que utilizó por primera vez el término "batería". [30] El término se usó más tarde para combinaciones de múltiples celdas electroquímicas, el significado moderno del término "batería".
El físico, químico y meteorólogo sueco Tobern Bergman tradujo al alemán gran parte de los escritos de Benjamin Franklin sobre la electricidad y continuó estudiando las propiedades electrostáticas. [31]
A partir de finales de 1756, Franz Aepinus , en una complicada interacción de cooperación y trabajo independiente con Johan Wilcke , [32] desarrolló un "condensador de aire", una variación de la jarra de Leyden, utilizando aire en lugar de vidrio como dieléctrico. Este aparato en funcionamiento, sin vidrio, creó un problema para la explicación de Benjamin Franklin del frasco de Leyden, que sostenía que la carga estaba ubicada en el vidrio. [33]
A partir de finales del siglo XVIII se utilizó en el campo médico victoriano de la electroterapia para tratar una variedad de enfermedades mediante descargas eléctricas. A mediados del siglo XIX, la jarra de Leyden se había vuelto lo suficientemente común como para que los escritores asumieran que sus lectores conocían y entendían su funcionamiento básico. [ cita requerida ] Alrededor del cambio de siglo comenzó a ser ampliamente utilizado en transmisores de chispas y equipos médicos de electroterapia . A principios del siglo XX, los dieléctricos mejorados y la necesidad de reducir su tamaño y la inductancia y resistencia no deseadas para su uso en la nueva tecnología de radio hicieron que el tarro de Leyden evolucionara hacia la forma compacta moderna de condensador .
Diseño
Un diseño típico consiste en un frasco de vidrio con papel de aluminio conductor que recubre las superficies interior y exterior. Los recubrimientos de láminas se detienen antes de la boca del frasco, para evitar que la carga se forme un arco entre las láminas. Un electrodo de varilla de metal se proyecta a través del tapón no conductor en la boca del frasco, conectado eléctricamente por algún medio (generalmente una cadena colgante) a la lámina interior, para permitir que se cargue. La jarra se carga mediante un generador electrostático , u otra fuente de carga eléctrica, conectado al electrodo interior mientras que la lámina exterior está conectada a tierra . Las superficies interior y exterior del frasco almacenan cargas iguales pero opuestas. [34]
La forma original del dispositivo es solo una botella de vidrio parcialmente llena de agua, con un alambre de metal que pasa a través de un corcho y la cierra. El papel de la placa exterior lo proporciona la mano del experimentador. Pronto John Bevis descubrió (en 1747) que era posible cubrir el exterior del frasco con papel de aluminio, y también descubrió que podía lograr el mismo efecto utilizando una placa de vidrio con papel de aluminio en ambos lados. [35] Estos desarrollos inspiraron a William Watson en el mismo año a hacer un frasco con un revestimiento de papel de aluminio tanto por dentro como por fuera, dejando de lado el uso de agua. [36]
Los primeros experimentadores (como Benjamin Wilson en 1746) informaron que cuanto más delgado es el dieléctrico y mayor es la superficie, mayor es la carga que se puede acumular. [37]
Otros desarrollos en electrostática revelaron que el material dieléctrico no era esencial, pero aumentaba la capacidad de almacenamiento ( capacitancia ) y evitaba la formación de arcos entre las placas. Dos placas separadas por una pequeña distancia también actúan como condensador, incluso en el vacío .
Almacenamiento de la carga
Inicialmente se creyó que la carga se almacenaba en el agua de los primeros frascos de Leyden. En la década de 1700, el estadista y científico estadounidense Benjamin Franklin llevó a cabo investigaciones exhaustivas de los frascos de Leyden llenos de agua y de papel de aluminio, lo que lo llevó a concluir que la carga se almacenaba en el vaso, no en el agua. Un experimento popular, debido a Franklin, que parece demostrar que esto implica desarmar un frasco después de que se ha cargado y mostrar que se puede encontrar poca carga en las placas de metal y, por lo tanto, debe estar en el dieléctrico . El primer caso documentado de esta demostración se encuentra en una carta de 1749 de Franklin. [38] Franklin diseñó un frasco de Leyden "diseccionable" (derecha) , que fue ampliamente utilizado en demostraciones. El frasco está construido con una taza de vidrio anidada entre dos tazas de metal que encajan perfectamente. Cuando la jarra se carga con un alto voltaje y se desmonta cuidadosamente, se descubre que todas las partes pueden manipularse libremente sin descargar la jarra. Si las piezas se vuelven a ensamblar, aún se puede obtener una gran chispa .
Esta demostración parece sugerir que los condensadores almacenan su carga dentro de su dieléctrico. Esta teoría se enseñó a lo largo del siglo XIX. Sin embargo, este fenómeno es un efecto especial causado por el alto voltaje en la jarra de Leyden. [39] En la jarra de Leyden diseccionable, la carga se transfiere a la superficie de la copa de vidrio por descarga de corona cuando se desmonta la jarra; esta es la fuente de la carga residual después de que se reensambla la jarra. Manipular la taza mientras está desmontada no proporciona suficiente contacto para eliminar toda la carga de la superficie. El vidrio de soda es higroscópico y forma una capa parcialmente conductora en su superficie, que retiene la carga. [39] Addenbrooke (1922) descubrió que en un frasco diseccionable hecho de cera de parafina o vidrio horneado para eliminar la humedad, la carga permanecía en las placas de metal. [40] Zeleny (1944) confirmó estos resultados y observó la transferencia de carga de corona. [41]
Cantidad de carga
Originalmente, la cantidad de capacitancia se midió en número de ' frascos ' de un tamaño dado, o a través del área revestida total, asumiendo un espesor y una composición razonablemente estándar del vidrio. Un frasco de Leyden típico del tamaño de una pinta tiene una capacitancia de aproximadamente 1 nF . (0,001 microfaradios)
Carga residual
Si un frasco de Leyden cargado se descarga acortando los revestimientos interior y exterior y se deja reposar durante unos minutos, el frasco recuperará parte de su carga anterior y se puede obtener una segunda chispa. [42] A menudo, esto puede repetirse, y pueden obtenerse a intervalos una serie de 4 o 5 chispas, de duración decreciente. Este efecto es causado por la absorción dieléctrica . [43]
Ver también
- Campanas de franklin
- El deportista eléctrico
Notas
- ^ El prefijo tribo- (griego para 'frotar') se refiere a 'fricción'
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enlaces externos
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