Una jarra de Leyden (o jarra de Leiden , o arcaicamente, jarra kleistiana ) 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 una jarra de vidrio. Por lo general, consta de un frasco de vidrio con una lámina metálica pegada a 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 de forma independiente 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 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 conservar carga eléctrica en grandes cantidades que podían descargarse a voluntad del experimentador, superando así un límite importante 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.
Los antiguos griegos ya sabían que los trozos de ámbar podían atraer partículas ligeras después de frotarlos. El ámbar se electrifica por el efecto triboeléctrico , separación mecánica de carga 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 un alma, de ahí la analogía popular de la chispa. [6] Hacia 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 bola 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 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 días del desarrollo de la electrostática. Se le atribuye ser el primero en desarrollar una forma de almacenar temporalmente cargas estáticas mediante el uso de un conductor aislado (llamado conductor principal). Sus demostraciones y experimentos despertaron el interés de la comunidad científica alemana y del público en general por el desarrollo de la investigación eléctrica.
La jarra de Leyden fue descubierta de forma independiente por dos partes: el diácono alemán Ewald Georg von Kleist , que hizo el primer descubrimiento, y los científicos holandeses Pieter van Musschenbroek y Andreas Cunaeus, que descubrieron por qué sólo funcionaba cuando se sostenía en la mano. [7]
Ewald Georg von Kleist era diácono de la catedral de Camin en Pomerania , una región ahora dividida entre Alemania y Polonia. A Von Kleist se le atribuye haber utilizado por primera vez la analogía de los fluidos con la electricidad y se lo demostró a Bose extrayendo chispas del agua con el dedo. [8] Descubrió la inmensa capacidad de almacenamiento de la jarra de Leyden mientras intentaba demostrar que una jarra de vidrio llena de alcohol "capturaría" este líquido. [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 prender fuego a los espíritus alcohólicos. Intentó cargar la botella desde un gran conductor primario (inventado por Bose) suspendido sobre su máquina de fricción.
Von Kleist sabía que el vidrio constituiría un obstáculo para el escape del "fluido", y por eso estaba convencido de que se podría recoger y retener una carga eléctrica sustancial en su interior. Recibió una importante descarga del dispositivo cuando accidentalmente tocó el clavo a través del corcho mientras todavía sostenía la botella en la 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 habían 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 utiliza el tubo medio lleno de alcohol). Gralath (en colaboración con Gottfried Reyger ) logró lograr el efecto deseado el 5 de marzo de 1746, sosteniendo en una mano un pequeño frasco de medicina de vidrio con un clavo dentro, acercándolo a un generador electrostático y luego moviendo la otra mano. cerca de la uña. [12] Von Kleist no entendió el significado de que su mano conductora sostuviera la botella, y tanto él como sus corresponsales se mostraron reacios a sostener el dispositivo cuando les dijeron que el impacto podría arrojarlos 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 constituía un elemento esencial. [ cita necesaria ]
La invención de la jarra de Leyden se atribuyó durante mucho tiempo a Pieter van Musschenbroek , 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 oriental") que fabricaba productos científicos y médicos. instrumentos para los nuevos cursos universitarios de física y para los caballeros científicos 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 a través de Musschenbroek e intentó duplicar el experimento en casa con artículos del hogar. [14] Sin conocer la "Regla de Dufay ", según la cual el aparato experimental debía estar aislado, Cunaeus sostuvo su frasco en la mano mientras lo cargaba y, por lo tanto, fue el primero en descubrir que una configuración experimental de este tipo podía provocar una descarga severa . [14] [15] Informó de su procedimiento y experiencia al filósofo natural suizo-holandés Jean-Nicolas-Sebastian Allamand , colega de Musschenbroek. Allamand y Musschenbroek también sufrieron fuertes conmociones. Musschenbroek comunicó el experimento en una carta del 20 de enero de 1746 al entomólogo francés René Antoine Ferchault de Réaumur , 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] (traducida del latín al francés). [dieciséis]
El punto de venta de Musschenbroek en Francia para la venta de los dispositivos de "gabinete" de su empresa era el Abbé Nollet (que comenzó a construir y vender instrumentos duplicados en 1735 [17] ). Luego, Nollet le dio al dispositivo de almacenamiento eléctrico el nombre de "tarro de Leyden" y lo promocionó como un tipo especial de matraz en su mercado de hombres ricos con curiosidad científica. Por lo tanto, la "jarra de Kleistian" fue promocionada como la jarra de Leyden y descubierta por Pieter van Musschenbroek y su conocido Andreas Cunaeus. Musschenbroek, sin embargo, nunca afirmó haberlo inventado, [14] y algunos piensan que se mencionó a Cunaeus sólo para restarle crédito. [18]
Meses después del informe de Musschenbroek sobre cómo crear de forma fiable una jarra de Leyden, otros investigadores eléctricos estaban fabricando y experimentando con sus propias jarras de Leyden. [19] Uno de sus intereses originales expresados fue ver si se podía aumentar el cargo total posible. [20]
Johann Heinrich Winckler , cuya primera experiencia con una sola jarra de Leyden fue relatada en una carta a la Royal Society el 29 de mayo de 1746, había conectado tres jarras de Leyden entre sí en una especie de batería electrostática el 28 de julio de 1746. [21] En 1746, Abbé Nollet realizó dos experimentos para la edificación del rey Luis XV de Francia, en el primero de los cuales descargó una jarra de Leyden a través de 180 guardias reales , y en el segundo a través de un mayor número de monjes cartujos ; todos los cuales saltaron en el aire más o menos simultáneamente. No se han registrado ni las opiniones 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 cargando frascos de Leyden en serie [23] y desarrolló un sistema que incluía 11 paneles de vidrio con finas placas 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. [24] [25] Es posible que la elección de Franklin de la palabra batería se inspirara en el divertido juego de palabras al final de su carta, donde escribió, entre otras cosas, sobre un saludo a los investigadores eléctricos desde una batería de armas . [26] Este es el primer uso registrado del término batería eléctrica . [21] Los múltiples y rápidos desarrollos para conectar las jarras 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 las jarras de Leyden, ya sea en serie o en paralelo, y quien utilizó por primera vez el término "batería". [21] El término se utilizó más tarde para combinaciones de múltiples celdas electroquímicas, el significado moderno del término "batería".
El físico, químico y meteorólogo sueco Torbern Bergman tradujo muchos de los escritos de Benjamin Franklin sobre electricidad al alemán y continuó estudiando las propiedades electrostáticas. [27]
A partir de 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 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 sobre la jarra 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 conductor que recubre las superficies interior y exterior. Los revestimientos de lámina terminan cerca de la boca del frasco, para evitar que la carga 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. El frasco se carga mediante un generador electrostático , u otra fuente de carga eléctrica, conectado al electrodo interior mientras la lámina exterior está conectada a tierra . Las superficies interior y exterior 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 lámina metálica, y también descubrió que podía lograr el mismo efecto usando una placa de vidrio con lámina metálica en ambos lados. [31] Estos desarrollos inspiraron a William Watson en el mismo año a tener un frasco hecho con un revestimiento de lámina de metal tanto por dentro como por fuera, eliminando el uso de agua. [31] [32]
Los primeros experimentadores (como Benjamin Wilson en 1746) informaron que cuanto más delgado era el dieléctrico y mayor era la superficie, mayor era la carga que podía acumularse. [33]
Otros avances en electrostática revelaron que el material dieléctrico no era esencial, pero aumentó la capacidad de almacenamiento ( capacitancia ) y evitó la formación de arcos entre las placas. Dos placas separadas por una pequeña distancia también actúan como condensador, incluso en el vacío .
Inicialmente se creía que la carga se almacenaba en el agua de las primeras tinajas de Leyden. En el siglo XVIII, el estadista y científico estadounidense Benjamín Franklin realizó extensas investigaciones de frascos de Leyden llenos de agua y de aluminio, lo que lo llevó a concluir que la carga estaba almacenada en el vidrio, no en el agua. Un experimento popular, debido a Franklin, que parece demostrar esto implica desarmar un frasco después de haber sido 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 Franklin de 1749. [34] Franklin diseñó una jarra de Leyden "disectible" (derecha) , que fue ampliamente utilizada en manifestaciones. El frasco está construido con un vaso de vidrio encajado entre dos vasos de metal que encajan bastante bien. Cuando se carga la jarra con alto voltaje y se desmonta cuidadosamente, se descubre que todas las piezas pueden manipularse libremente sin descargar la jarra. Si se vuelven a montar las piezas, todavía 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. [35] En el frasco de Leyden diseccionable, la carga se transfiere a la superficie del vaso de vidrio mediante descarga en corona cuando se desmonta el frasco; esta es la fuente de la carga residual después de volver a montar el frasco. Manejar la copa mientras está desarmada no proporciona suficiente contacto para eliminar toda la carga superficial. El vidrio de soda es higroscópico y forma una capa parcialmente conductora en su superficie que retiene la carga. [35] Addenbrooke (1922) descubrió que en un frasco diseccionable hecho de cera de parafina o de 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 la corona. [37]
Si un frasco de Leyden cargado se descarga cortando los revestimientos interior y exterior y se deja reposar durante unos minutos, el frasco recuperará parte de su carga anterior y se podrá obtener una segunda chispa. [38] A menudo esto se puede repetir, y se puede obtener una serie de 4 o 5 chispas, de longitud cada vez menor, a intervalos. Este efecto es causado por la absorción dieléctrica . [39]
La jarra de Leyden es un dispositivo de alto voltaje ; se estima que, como máximo, las primeras jarras 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 la fuga de la carga al aire por descarga de corona . Se utilizó por primera vez en experimentos de electrostática y más tarde en equipos de alto voltaje, como transmisores de radio de chispas 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, suponiendo 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 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 necesaria ] Alrededor del cambio de siglo comenzó a usarse ampliamente en transmisores de chispas y equipos de electroterapia médica .
El desarrollo de la nueva tecnología de radio a principios del siglo XX fomentó la reducción del tamaño de las jarras de Leyden, así como la reducción de inductancias y resistencias no deseadas . Estas mejoras, junto con dieléctricos mejorados, hicieron que la jarra de Leyden evolucionara hacia la forma moderna y compacta 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
