La máquina electrostática de Franklin es un dispositivo generador de electricidad estática de alto voltaje que utilizó Benjamin Franklin a mediados del siglo XVIII para investigar los fenómenos eléctricos. Sus componentes principales son un globo de vidrio que giraba sobre un eje mediante una manivela , una almohadilla de tela en contacto con el globo giratorio, un conjunto de agujas de metal para conducir la carga desarrollada en el globo por su fricción con la almohadilla y una botella de Leyden (un condensador de alto voltaje ) para acumular la carga. Los experimentos de Franklin con la máquina finalmente llevaron a nuevas teorías sobre la electricidad y a la invención del pararrayos .
Franklin no fue el primero en construir un generador electrostático. Los científicos europeos desarrollaron máquinas para generar electricidad estática décadas antes. En 1663, Otto von Guericke generó electricidad estática con un dispositivo que utilizaba una esfera de azufre. [1] Francis Hauksbee desarrolló un generador electrostático más avanzado alrededor de 1704 utilizando una bombilla de vidrio que tenía un vacío. Más tarde reemplazó el globo con un tubo de vidrio de aproximadamente 2,5 pies (0,76 m) vacío de aire. [1] El tubo de vidrio era un generador estático menos efectivo que el globo, pero se hizo más popular porque era más fácil de usar. [2]
Las máquinas que generaban electricidad estática con un disco de vidrio eran populares y estaban muy extendidas en Europa en 1740. [3] En 1745, el clérigo alemán Ewald Georg von Kleist y el científico holandés Pieter van Musschenbroek descubrieron independientemente que la carga eléctrica de estas máquinas podía almacenarse en un frasco de Leyden , llamado así por la ciudad de Leiden en los Países Bajos . [3]
En 1745, Peter Collinson , un hombre de negocios de Londres que se comunicaba con científicos estadounidenses y europeos, donó un "tubo de vidrio" alemán [4] junto con instrucciones sobre cómo generar electricidad estática a la Franklin's Library Company de Filadelfia . [5] Collinson era el agente de la biblioteca en Londres y proporcionaba las últimas noticias tecnológicas de Europa. [6] [7] [8] Franklin escribió una carta a Collinson el 28 de marzo de 1747, [9] agradeciéndole y diciendo que el tubo y las instrucciones habían motivado a varios colegas y a él a comenzar experimentos serios con la electricidad. [10]
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En 1746, Franklin comenzó a trabajar en experimentos eléctricos con Ebenezer Kinnersley después de que compró todo el equipo eléctrico de Archibald Spencer que utilizó en sus conferencias. Más tarde, también se asoció con Thomas Hopkinson y Philip Syng en la experimentación con la electricidad. [11] [12] En el verano de 1747 habían recibido un sistema eléctrico de Thomas Penn . [13] Si bien no existen registros que indiquen exactamente qué partes estaban incluidas en el sistema, el historiador JA Leo LeMay cree que era una combinación de una máquina generadora de electricidad, una botella de Leyden, un tubo de vidrio y un taburete que estaba aislado eléctricamente del suelo. [13] [14] Esto le dio a Franklin un sistema completo para experimentar con la generación y el almacenamiento de electricidad. [7]
Cuando el ámbar , el azufre o el vidrio se frotan con ciertos materiales, producen efectos eléctricos. [15] Franklin teorizó que este "fuego eléctrico" se obtenía de este otro material de alguna manera, y no se producía por la fricción en el objeto. [16] [17] Decidió retirarse temprano de su negocio de imprenta, todavía a principios de sus cuarenta, para pasar más tiempo estudiando la electricidad. En 1748, Franklin entregó todo su negocio de imprenta a su socio David Hall . [18] Se mudó a una nueva casa en Filadelfia con su esposa, donde construyó un laboratorio para realizar experimentos e investigar nuevas teorías eléctricas. [19] [20] Franklin experimentó no solo con la máquina electrostática con el globo de vidrio, sino también con la botella de Leyden. [21] Mantuvo un diario detallado de su investigación en un diario llamado "Minutos eléctricos" que desde entonces se ha perdido. [22] La máquina de Franklin fue donada a la Library Company de Filadelfia por el nieto de Franklin en 1792, [4] y actualmente está en exhibición en el Instituto Franklin .
La máquina de Franklin utilizaba un sistema de correa y polea que podía ser operada por una sola persona girando una manivela. [21] Una polea grande estaba unida a la manivela y una polea mucho más pequeña estaba unida a un globo de vidrio grande. Un eje de hierro pasaba a través del globo. Esto permitía que el globo girara a alta velocidad. [23] Cuando se giraba la manivela, el globo de vidrio se frotaba contra una almohadilla de cuero, lo que generaba una gran carga estática, similar a la carga eléctrica que se podía crear al frotar un tubo de vidrio con un paño de lana con la mano. La máquina era una mejora única con respecto a otras fabricadas en Europa en ese momento, ya que el globo de vidrio podía girar más rápido con mucho menos trabajo. [24] Unas pocas revoluciones de la manija eran todo lo que se necesitaba para cargar una botella de Leyden. [24] [25]
La electricidad producida por la máquina, en forma de chispas, pasaba a través de un conjunto de agujas de metal colocadas cerca del globo giratorio. La carga eléctrica continuaba pasando a través de una cadena de hierro con cuentas, que actuaba como conductor, hasta una botella de Leyden que recibía la electricidad. [26] [27] [28] Franklin llamó a las chispas producidas por la máquina "fuego eléctrico". [7]
Los globos de vidrio, conocidos como "globos electrizantes", [29] estaban hechos de vidrio que fue diseñado científicamente para producir electricidad estática de manera efectiva. [30] Franklin especificó los materiales que se utilizarían en la fórmula del vidrio, y los globos fueron fabricados por Caspar Wistar , un colaborador cercano de Franklin. [13] Wistarburgh Glass Works también fabricó vidrio científico para los frascos de Leyden que Franklin utilizó en la década de 1750. [13] [29]
Los experimentos de Franklin con las botellas de Leyden progresaron hasta conectar varias botellas de Leyden juntas en una serie, con "una colgando de la cola de la otra". Todas las botellas de la serie podían cargarse simultáneamente, lo que multiplicaba el efecto eléctrico. [31] Un aparato similar había sido creado anteriormente por Daniel Gralath . Franklin llamó a este dispositivo " batería eléctrica ", [4] pero ese término más tarde llegó a tener un significado diferente, refiriéndose en cambio a un conjunto de una o más celdas galvánicas . En ese momento, la palabra "batería" era un término militar para un grupo de cañones . [32] Franklin fue el primero en aplicar los términos "positivo" y "negativo" a la electricidad.
Gracias a sus investigaciones, Franklin fue uno de los primeros en demostrar el principio eléctrico de conservación de la carga en 1747: [16] [24] William Watson hizo un descubrimiento similar de forma independiente en 1746. Franklin escribió cartas y documentos detallados sobre sus experimentos con la máquina electrostática y las botellas de Leyden. [16] [33] [34] En 1749, Franklin hizo una lista de varias formas en las que los rayos eran similares a la electricidad. [35] Concluyó que los rayos no eran esencialmente más que chispas eléctricas gigantes, similares a las chispas de las cargas estáticas producidas por su máquina electrostática. [35] Se refirió a la electricidad estática como "fuego eléctrico", "materia eléctrica" o "fluido eléctrico". [31] El término "fluido eléctrico" se basaba en la idea de que una botella podía llenarse y rellenarse cuando se vaciaba. [3] Eso condujo a la idea revolucionaria del "fuego eléctrico" como un tipo de movimiento o flujo de corriente en lugar de un tipo de explosión. [36]
Varios términos eléctricos del siglo XVIII se derivaron de su nombre. Por ejemplo, la electricidad estática se conocía como "corriente de Franklin", [37] y la " franklinización " es una forma de electroterapia en la que Franklin aplicaba descargas estáticas fuertes a pacientes para tratar a pacientes con diversas enfermedades. [38] [39]
Franklin inventó el pararrayos basándose en lo que aprendió de los experimentos con su máquina electrostática. [11] [40] Franklin y sus asociados observaron que los objetos puntiagudos eran más efectivos que los objetos romos para "extraer" y "lanzar" chispas de electricidad estática. [12] [41] Este descubrimiento fue reportado por primera vez por Hopkinson. [19] Franklin se preguntó si este descubrimiento podría usarse en una invención práctica. [42] Pensó que se podría hacer algo para atraer la electricidad de las nubes de tormenta, pero primero tenía que verificar que los rayos realmente son chispas eléctricas gigantes. [42] Escribió cartas a Collinson y Cadwallader Colden sobre esta teoría, [43] y describió el experimento de la cometa en la edición del 19 de octubre de 1752 de la Pennsylvania Gazette . [44] [45] [46] (Sin embargo, Tom Tucker del Isothermal Community College duda del relato debido a ambigüedades en el mismo y lo señala en su libro Bolt of Fate: Benjamin Franklin and his Electric Kite Hoax . [47] [48] Otros no están de acuerdo con este punto de vista, argumentando que Franklin no inventaría una historia tan falsa porque valoraba la integridad de la comunidad científica. [49] [50] )
Para probar su teoría, Franklin propuso un experimento potencialmente mortal, que se llevaría a cabo durante una tormenta eléctrica, en el que una persona se pararía sobre un taburete aislado dentro de una garita y sostendría una varilla de hierro larga y puntiaguda para atraer un rayo. [15] Una versión similar pero menos peligrosa de este experimento se realizó por primera vez con éxito en Francia el 10 de mayo de 1752, y luego se repitió varias veces más en toda Europa, aunque después de una fatalidad en 1753 se intentó con menos frecuencia. Franklin declaró que este "experimento de la garita" demostró que el rayo y la electricidad eran una y la misma cosa. [15]
Franklin se dio cuenta de que los edificios de madera podían protegerse de los rayos y de los incendios mortales que a menudo se producían colocando un hierro puntiagudo en el tejado y enterrando profundamente el otro extremo de la varilla en el suelo. La punta afilada del pararrayos atraería la descarga eléctrica de la nube y el rayo impactaría en la varilla de hierro en lugar de en el edificio de madera. La carga eléctrica del rayo fluiría a través de la varilla directamente hacia la tierra, sin pasar por la estructura y evitando un incendio. [51]
Kinnersley, amigo de Franklin, viajó por todo el este de los Estados Unidos en la década de 1750, haciendo demostraciones de los "rayos" artificiales en maquetas de casas de tormenta para demostrar cómo una barra de hierro colocada en el suelo protegería una estructura de madera. Explicó que los rayos seguían los mismos principios que las chispas de la máquina electrostática de Franklin. Estas conferencias de Kinnersley fueron ampliamente publicitadas y fueron una de las formas en que se mostró el pararrayos de Franklin al público en general. [52]
Franklin distribuyó copias de la máquina electrostática a muchos de sus colaboradores más cercanos para alentarlos a estudiar la electricidad. [13] Entre 1747 y 1750, Franklin envió muchas cartas a su amigo Collinson en Londres sobre sus experimentos con la máquina electrostática y la botella de Leyden, incluidas sus observaciones y teorías sobre los principios de la electricidad. [12] Estas cartas fueron recopiladas y publicadas en 1751 en un libro titulado Experimentos y observaciones sobre la electricidad . [10] [53] [54] [55]
Mientras Joseph Priestley escribía sobre la historia de la electricidad, Franklin lo animó a utilizar una máquina electrostática para realizar los experimentos sobre los que estaba escribiendo. Priestley diseñó y utilizó sus propias variaciones de la máquina de Franklin. [56] Mientras replicaba los experimentos eléctricos, algunas preguntas sin respuesta impulsaron a Priestley a diseñar experimentos adicionales, lo que condujo a descubrimientos adicionales. En 1767, publicó un libro de 700 páginas sobre sus hallazgos llamado La historia y el estado actual de la electricidad . [57] [58]
Los laboratorios científicos del siglo XVIII solían contener algún tipo de máquina electrostática operada manualmente. El científico italiano Luigi Galvani tenía un generador electrostático en su laboratorio, donde los experimentos con ancas de rana lo llevaron a concluir que los animales generaban una fuerza vital, una electricidad animal . [59] Otro científico italiano, Alessandro Volta , no estaba de acuerdo con la afirmación de Galvani de que los efectos eléctricos se debían a algo peculiar de la materia viva, y demostró que la electricidad se puede generar simplemente colocando material húmedo y salado entre dos metales diferentes. Esto condujo directamente a la invención de la primera batería eléctrica práctica, la pila voltaica .
Después de la muerte de Franklin, dos artefactos icónicos de su investigación, la "batería" original de frascos de Leyden y el "tubo de vidrio" que fue un regalo de Collinson en 1747, fueron donados a la Royal Society en 1836 por el nieto de Thomas Hopkinson , Joseph Hopkinson , de acuerdo con el testamento de Franklin. [60]
, regalo de Franklin.
La atmósfera de Filadelfia le brindó a él y a sus colaboradores una oportunidad excepcional para ejercitar su habilidad con la máquina electrostática. Como resultado, muchos de sus experimentos fueron de carácter original. El famoso experimento de la cometa permitió al grupo de Filadelfia establecer lo que otros habían supuesto, que el rayo era idéntico a la suave carga de electricidad producida por la fricción de la máquina electrostática. Franklin inventó el pararrayos, que pasa a la historia como el primer invento eléctrico práctico.