Un frasco de Leyden (o frasco de Leiden , o arcaicamente, frasco de Kleist ) es un componente eléctrico que almacena una carga eléctrica de alto voltaje (de una fuente externa) entre conductores eléctricos en el interior y el exterior de un frasco de vidrio. Por lo general, consiste en un frasco de vidrio con una lámina de metal pegada a las superficies interior y exterior, y un terminal de metal 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), Países Bajos en 1745-1746. [3]
La botella de Leyden se utilizó para realizar muchos de los primeros experimentos sobre electricidad y su descubrimiento fue de importancia fundamental en el estudio de la electrostática . Fue el primer medio de acumular y conservar carga eléctrica en grandes cantidades que podían descargarse a voluntad del experimentador, superando así un límite significativo de las primeras investigaciones sobre la conducción eléctrica. [4] Las botellas de Leyden todavía se utilizan en la educación para demostrar los principios de la electrostática.
Los antiguos griegos ya sabían que los trozos de ámbar podían atraer partículas ligeras tras ser frotados. El ámbar se electrifica por el efecto triboeléctrico , la separación mecánica de cargas en un material 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 sobre el fenómeno de la carga electrostática, debido a su creencia de que incluso las cosas sin vida tienen alma en ellas, de ahí la analogía popular de la chispa. [6] Alrededor de 1650, Otto von Guericke construyó un rudimentario generador electrostático : una bola de azufre que giraba sobre un eje. Cuando Guericke sostenía su mano contra la bola y giraba el eje rápidamente, se acumulaba una carga eléctrica estática . Este experimento inspiró el desarrollo de varias formas de "máquinas de fricción", que ayudaron enormemente en el estudio de la electricidad.
Georg Matthias Bose (22 de septiembre de 1710 – 17 de septiembre de 1761) fue un famoso experimentador eléctrico en los primeros tiempos del desarrollo de la electrostática. Se le atribuye haber sido el primero en desarrollar una forma de almacenar temporalmente cargas estáticas mediante el uso de un conductor aislado (llamado conductor primario). Sus demostraciones y experimentos despertaron el interés de la comunidad científica alemana y del público en el desarrollo de la investigación eléctrica.
La botella de Leyden fue descubierta independientemente por dos partes: el decano alemán Ewald Georg von Kleist , quien hizo el primer descubrimiento, y los científicos holandeses Pieter van Musschenbroek y Andreas Cunaeus, quienes descubrieron por qué solo funcionaba cuando se sostenía en la mano. [7]
Ewald Georg von Kleist era el decano de la catedral de Cammin en Pomerania , una región que hoy está dividida entre Alemania y Polonia. A Von Kleist se le atribuye el mérito de haber utilizado por primera vez la analogía de los fluidos para la electricidad y de haber demostrado esto a Bose sacando chispas del agua con su dedo. [8] Descubrió la inmensa capacidad de almacenamiento de la botella de Leyden mientras intentaba demostrar que una jarra de vidrio llena de alcohol "capturaría" este fluido. [9]
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 bebidas alcohólicas. Intentó cargar el frasco con un gran conductor primario (inventado por Bose) suspendido sobre su máquina de fricción.
Von Kleist sabía que el vidrio sería un obstáculo para el escape del "fluido", y por eso estaba convencido de que una carga eléctrica sustancial podría ser recogida y retenida dentro de él. Recibió una descarga significativa del dispositivo cuando accidentalmente tocó el clavo a través del corcho mientras todavía 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 a marzo de 1746, pero no recibió ninguna confirmación de que hubieran repetido sus resultados, hasta abril de 1746. [11] El físico polaco-lituano Daniel Gralath se enteró del experimento de von Kleist al ver la carta de von Kleist a Paul Swietlicki, escrita en noviembre de 1745. Después del primer intento fallido de Gralath de reproducir el experimento en diciembre de 1745, le escribió a von Kleist para obtener más información (y le dijeron que el experimento funcionaría mejor si se usaba el tubo medio lleno de alcohol). Gralath (en colaboración con Gottfried Reyger ) logró obtener el efecto deseado el 5 de marzo de 1746, sosteniendo en una mano un pequeño frasco de medicina de vidrio con un clavo en su interior, acercándolo a un generador electrostático y luego acercando la otra mano al clavo. [12] Von Kleist no comprendía el significado de que su mano conductora sostuviera el frasco, y tanto él como sus corresponsales se resistían a sostener el dispositivo cuando se les dijo que la descarga podría lanzarlos al otro lado de la habitación. Pasó algún tiempo antes de que los estudiantes asociados de von Kleist en Leyden se dieran cuenta de que la mano proporcionaba un elemento esencial. [ cita requerida ]
La invención del frasco de Leyden se atribuyó durante mucho tiempo a Pieter van Musschenbroek , el profesor de física de la Universidad de Leiden , que también dirigía una fundición familiar que fundía cañones de latón y una pequeña empresa ( De Oosterse Lamp – "La lámpara del Este") que fabricaba instrumentos científicos y médicos para los nuevos cursos universitarios de física y para los científicos caballeros deseosos de establecer sus propios "gabinetes" de curiosidades e instrumentos .
Al igual que von Kleist, Musschenbroek también estaba interesado en el experimento de Bose e intentó repetirlo. [13] Durante este tiempo, Andreas Cunaeus, un abogado, se enteró de este experimento de Musschenbroek e intentó duplicar el experimento en casa con elementos domésticos. [14] Sin saber la "Regla de Dufay ", que establece que el aparato experimental debe estar aislado, Cunaeus sostuvo su frasco en su mano mientras lo cargaba, y así fue el primero en descubrir que tal configuración experimental podría producir una descarga severa . [14] [15] Informó su procedimiento y experiencia al filósofo natural suizo-holandés Jean-Nicolas-Sebastian Allamand , colega de Musschenbroek. Allamand y Musschenbroek también recibieron descargas severas. Musschenbroek comunicó el experimento en una carta del 20 de enero de 1746 al entomólogo francés René Antoine Ferchault de Réaumur , que era el corresponsal designado de Musschenbroek en la Academia de París . El abad Jean-Antoine 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 [14] (traduciendo del latín al francés). [16]
El punto de venta de los aparatos de "gabinete" de Musschenbroek en Francia era el abad Nollet (que empezó a construir y vender instrumentos duplicados en 1735 [17] ). Nollet dio entonces al dispositivo de almacenamiento eléctrico el nombre de "botella de Leyden" y lo promocionó como un tipo especial de frasco para su mercado de hombres ricos con curiosidad científica. Por tanto, la "botella de Kleist" se promocionó como la botella de Leyden y como si hubiera sido descubierta por Pieter van Musschenbroek y su conocido Andreas Cunaeus. Sin embargo, Musschenbroek nunca afirmó haberla inventado él [14] y algunos piensan que se mencionó a Cunaeus sólo para restarle crédito. [18]
A los pocos meses del informe de Musschenbroek sobre cómo crear de manera fiable un frasco de Leyden, otros investigadores eléctricos estaban fabricando y experimentando con sus propios frascos de Leyden. [19] Uno de sus intereses originales expresados era ver si se podía aumentar la carga total posible. [20]
Johann Heinrich Winckler , cuya primera experiencia con una sola botella de Leyden fue reportada en una carta a la Royal Society el 29 de mayo de 1746, había conectado tres botellas de Leyden juntas en una especie de batería electrostática el 28 de julio de 1746. [21] En 1746, el abad Nollet realizó dos experimentos para la edificación del rey Luis XV de Francia, en el primero de los cuales descargó una botella de Leyden a través de 180 guardias reales , y en el segundo a través de un número mayor de monjes cartujos ; todos los cuales saltaron al aire más o menos simultáneamente. No se han registrado las opiniones ni del rey ni de los sujetos experimentales. [22] [ página necesaria ]
Daniel Gralath informó en 1747 que en 1746 había realizado experimentos conectando dos o tres frascos, probablemente en serie . [21]
En 1746-1748, Benjamin Franklin experimentó con la carga de frascos de Leyden en serie, [23] y desarrolló un sistema que involucraba 11 paneles de vidrio con placas delgadas de plomo pegadas en cada lado y luego conectadas entre sí. Utilizó el término "batería eléctrica" para describir su batería electrostática en una carta de 1749 sobre su investigación eléctrica en 1748. [24] [25] Es posible que la elección de Franklin de la palabra batería estuviera inspirada por el juego de palabras humorístico al final de su carta, donde escribió, entre otras cosas, sobre un saludo a los investigadores eléctricos de una batería de armas . [26] Este es el primer uso registrado del término batería eléctrica . [21] Los múltiples y rápidos desarrollos para conectar 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" conectando frascos de Leyden, ya sea que estuvieran en serie o en paralelo, y quién utilizó por primera vez el término "batería". [21] El término se utilizó posteriormente para combinaciones de múltiples celdas electroquímicas, el significado moderno del término "batería".
El físico, químico y meteorólogo sueco Torbern Bergman tradujo al alemán gran parte de los escritos de Benjamin Franklin sobre electricidad y continuó estudiando las propiedades electrostáticas. [27]
A finales de 1756, Franz Aepinus , en una complicada combinación de trabajo independiente y colaboración con Johan Wilcke , [28] desarrolló un "condensador de aire", una variación de la botella de Leyden, utilizando aire en lugar de vidrio como dieléctrico. Este aparato funcional, sin vidrio, creó un problema para la explicación de Benjamin Franklin de la botella de Leyden, que sostenía que la carga se encontraba en el vidrio. [29]
Un diseño típico consiste en un frasco de vidrio con una lámina de estaño conductora que recubre las superficies internas y externas. Las láminas de estaño conductoras terminan antes de la boca del frasco, para evitar que la carga se arquee entre las láminas. Un electrodo de varilla de metal sobresale a través del tapón no conductor en la boca del frasco, conectado eléctricamente por algún medio (generalmente una cadena colgante) a la lámina interna, para permitir que se cargue. El frasco se carga mediante un generador electrostático , u otra fuente de carga eléctrica, conectado al electrodo interno mientras que la lámina externa está conectada a tierra . Las superficies interna y externa del frasco almacenan cargas iguales pero opuestas. [30]
La forma original del dispositivo es simplemente una botella de vidrio parcialmente llena de agua, con un alambre de metal que pasa a través de un corcho que la cierra. El papel de la placa exterior lo proporciona la mano del experimentador. Pronto John Bevis descubrió (en 1747) que era posible recubrir el exterior del frasco con una lámina de metal, y también descubrió que podía lograr el mismo efecto utilizando una placa de vidrio con una lámina de metal en ambos lados. [31] Estos desarrollos inspiraron a William Watson en el mismo año para hacer un frasco con una lámina de metal que recubre tanto el interior como el exterior, eliminando el uso de agua. [31] [32]
Los primeros experimentadores (como Benjamin Wilson en 1746) informaron que cuanto más delgado sea el dieléctrico y mayor la superficie, mayor será la carga que se puede acumular. [33]
Los avances en electrostática revelaron que el material dieléctrico no era esencial, pero aumentaba la capacidad de almacenamiento ( capacidad ) y evitaba la formación de arcos eléctricos entre las placas. Dos placas separadas por una pequeña distancia también actúan como un condensador, incluso en el vacío .
Inicialmente se creyó que la carga se almacenaba en el agua de las primeras botellas de Leyden. En el siglo XVIII, el estadista y científico estadounidense Benjamin Franklin realizó extensas investigaciones sobre botellas de Leyden llenas de agua y de papel de aluminio, lo que lo llevó a concluir que la carga se almacenaba en el vidrio, no en el agua. Un experimento popular, debido a Franklin, que parece demostrar esto implica desmontar una botella después de haberla cargado y demostrar que se puede encontrar poca carga en las placas de metal y, por lo tanto, debe estar en el dieléctrico . El primer ejemplo documentado de esta demostración se encuentra en una carta de 1749 de Franklin. [34] Franklin diseñó una botella de Leyden "disecable" (derecha) , que se usó ampliamente en demostraciones. La botella está construida a partir de una copa de vidrio anidada entre dos copas de metal que encajan bastante bien. Cuando la botella se carga con un alto voltaje y se desmonta con cuidado, se descubre que todas las partes se pueden manipular libremente sin descargar la botella. Si se vuelven a ensamblar las piezas, aún se puede obtener una chispa grande.
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 botella de Leyden. [35] En la botella de Leyden diseccionable, la carga se transfiere a la superficie de la copa de vidrio por descarga de corona cuando se desmonta la botella; esta es la fuente de la carga residual después de que se vuelve a montar la botella. Manipular la copa mientras está desmontada no proporciona suficiente contacto para eliminar toda la carga de la superficie. El vidrio sodado es higroscópico y forma una capa parcialmente conductora en su superficie, que retiene la carga. [35] Addenbrooke (1922) descubrió que en una botella diseccionable hecha de cera de parafina, o vidrio horneado para eliminar la humedad, la carga permanecía en las placas de metal. [36] Zeleny (1944) confirmó estos resultados y observó la transferencia de carga de corona. [37]
Si se descarga una botella de Leyden cargada haciendo un cortocircuito en los revestimientos interior y exterior y se la deja reposar durante unos minutos, la botella recuperará parte de su carga anterior y se puede obtener una segunda chispa. [38] A menudo, esto se puede repetir y se puede obtener una serie de 4 o 5 chispas, de longitud decreciente, a intervalos. Este efecto es causado por la absorción dieléctrica . [39]
La botella de Leyden es un dispositivo de alto voltaje ; se estima que, como máximo, las primeras botellas de Leyden podían cargarse entre 20 000 y 60 000 voltios . [40] El electrodo de varilla central tiene una bola de metal en el extremo para evitar fugas de la carga al aire por descarga de corona . Se utilizó primero en experimentos de electrostática y, más tarde, en equipos de alto voltaje, como transmisores de radio de chispa y máquinas de electroterapia .
Originalmente, la cantidad de capacitancia se medía en número de " frascos " de un tamaño determinado, o a través del área total recubierta, asumiendo un espesor y una composición del vidrio razonablemente estándar. Un frasco de Leyden típico del tamaño de una pinta tiene una capacitancia de aproximadamente 1 nF .
A partir de finales del siglo XVIII, se empezó a utilizar en el campo médico victoriano de la electroterapia para tratar diversas enfermedades mediante descargas eléctricas. A mediados del siglo XIX, la botella de Leyden se había vuelto lo suficientemente común como para que los escritores supusieran que sus lectores conocían y comprendían su funcionamiento básico. [ cita requerida ] A principios de siglo, comenzó a utilizarse ampliamente en transmisores de chispas y equipos de electroterapia médica .
El desarrollo de la nueva tecnología de la radio a principios del siglo XX fomentó la reducción del tamaño de las botellas de Leyden, así como la reducción de la inductancia y la resistencia no deseadas . Estas mejoras, junto con la mejora de los dieléctricos, hicieron que la botella de Leyden evolucionara hasta convertirse en la forma compacta moderna de condensador .
Origen y etimología de
eléctrico
: Nuevo latín
electricus
'producido a partir de ámbar por fricción, eléctrico', del latín medieval, 'de ámbar', del latín
electrum
'ámbar, electrum', del griego
ēlektron
; similar al griego
ēlektōr
'sol radiante'. Primer uso conocido: 1722
