jueves, 28 de enero de 2016

Historia de la electricidad (XVII): La unión magnética



Con la pila de Volta la electricidad entra en una época de contantes descubrimientos, los científicos al fin disponen de un sistema fiable, regulable y continuo de producir electricidad, lo que la hace entrar en una fase de continuos descubrimientos, que acabarán con la unificación de los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola fuerza, dando como resultado el motor eléctrico.

Siméon Denis Poisson (Francia 1781 - 1840)

Este francés fue un gran matemático y físico, hijo de un soldado que luego ocupó cargos en la administración locales durante la revolución, con 18 años sus trabajos matemáticos recibieron muy altos honores, progresando en campos como ecuaciones diferenciales o la teoría de probabilidades. Destacó también como un excelente profesor, y a pesar de sus muchas ocupaciones llegó a publicar más de 400 tratados matemáticos. Su nombre está unido a la Ecuación de Poisson que es una ecuación en derivadas parciales muy usada en electricidad y en mecánica de fluidos, que aplicó a la electrostática y le sirvió para calcular el potencial eléctrico en una superficie de cualquier forma.
 \nabla^2 \Psi = {\partial ^2 \Psi\over \partial x^2 } +
                     {\partial ^2 \Psi\over \partial y^2 } +
                     {\partial ^2 \Psi\over \partial z^2 } =
                     - {\rho_{e} \over \varepsilon \varepsilon_{0}} \;  .
Ecuación de Poisson para el potencial eléctrico en una superficie (Ψ) como una función de la densidad de carga eléctrica en un punto (ρe) (Fuente: Wikipedia)
También es famosa su opinión a favor de la teoría corpuscular de la luz, en una época en que la pugna entre la teoría corpuscular y la ondulatoria sobre la luz estaba en su punto álgido, el defendió la primera con ímpetu en contra de Arago el gran defensor de la ondulatoria. Al final Eistein demostró la dualidad onda-partícula, lo que acabó definitivamente con esta pugna y le otorgo el Novel de física en 1921, ya que su teoría especial de la relatividad de 1905 estaba aceptada por la comunidad pero hasta 1959 no pudo ser probada, y una teoría sin pruebas no es aceptada en ciencia.

Hans Christian Ørsted (Dinamarca 1777 – 1851)

Su padre era farmacéutico, por lo que comenzó estudiando esta carrera pero luego pasó a estudiar medicina graduándose como médico, aunque nunca ejerció como tal, ya que su pasión por la física y la química le impulsaron a dedicarte a estas disciplinas. Gran orador y famoso conferenciante, en química fue el primero en aislar el Aluminio. La Royal Society le otorgó la medalla Copley en 1820.

Ese año de 1820 había descubierto la relación entre electricidad y magnetismo, demostrando que ubicando una brújula junto a un hilo eléctrico, al pasar la corriente por el hilo se movía la aguja de la brújula. Este simple experimento fue muy importante pues es la base del electromagnetismo y del motor eléctrico.
Experimento de Ørsted en una ilustración de la época (Fuente: ethw.org)

Thomas Johann Seebeck (Alemania, 1770 - 1831)

Aunque estudió medicina se dedicó a la física. En esta actividad conoció a Goethe, que además de escribir también era un entusiasta físico, ambos estudiaron la teoría de los colores oponiéndose a la teoría de Newton sobre ese tema. Trabajó en investigaciones relacionados con el calor y como afectaba este a los colores.

Estudiando la relación entre electricidad y calor, en 1821 descubrió que uniendo dos aros de dos metales diferentes, al calentar uno y enfriar el otro se producía un campo magnético, realmente era el producto del campo eléctrico que se generaba, pero el solo habló en sus escritos del magnetismo, llamándolo fenómeno termo-magnético. Hoy día esta unión de dos metales se usa en los termopares, es usado en los termostatos, y el fenómeno se denomina efecto termo-eléctrico o de Peltier-Seebeck.
Experimento de Seebek con aros de metales diferentes (Fuente: mpec.sc.mahidol.ac.th)

André-Marie Ampère (Francia 1775 - 1836)

Ampère era hijo de un juez, fue un niño prodigio, aprendió a contar por su cuenta usando piedrecitas y migas de pan, aprendió latín por su cuenta para leer los libros de matemáticas de la biblioteca. Fue un gran matemático reconocido con amplios honores en su época, en esa disciplina es conocido por el desarrollo de las ecuaciones diferenciales parciales o la teoría de juego, en química se unió a la corriente que postulaba que el cloro era una substancia simple, o apoyó de mantera independiente la teoría de Avogadro sobre los gases, o publicó una importante clasificación en ciencias naturales.

Conociendo el experimento de Ørsted, demostró que el giro de la aguja de la brújula dependía de la dirección de la corriente, por lo que definió la regla de la mano derecha para conocer el sentido del campo magnético en el cable. También definió la electrodinámica, la fuerza que se produce entre dos hilos paralelos cuando la recorre una corriente, que se atraen o repelen según el sentido de la corriente sea diferente o igual en ambos hilos y de la intensidad de las mismas. Por sus experimentos postuló la teoría de las corrientes moleculares, formada por innumerables partículas cargadas, lo que fue rechazado en su época pero más adelante se demostró cierto con la teoría atómica y los electrones.
Regla de la mano derecha, el pulgar apunta en la dirección de la corriente y los dedos indican la direcciñon del campo magnético generado (fuente: cluster-divulgacioncientifica)

En 1822 ideó el solenoide, que condujo al electroimán. Junto al gran físico François Arago (el que postuló la teoría de la luz como ondas) mejoró el diseño del galvanómetro para hacerlo un aparato práctivo y preciso (aparato para medir la corriente ideado por Johann Schweigger en 1820 al conocer el experimento de Ørsted). En sus escritos fue el primero en definir corriente eléctrica (intensidad) y tensión eléctrica (voltaje). En su honor la unidad de intensidad eléctrica se denomina Amperio.

Ideó un telégrafo funcional usando un conjunto de galvanómetros para los caracteres, afirmando que había efectuado pruebas satisfactorias, aunque más tarde Peter Barlow demostró que el alcance efectivo de este aparato sería de unos 60 metros.

William Sturgeon (Inglaterra, 1783 - 1850)

Físico e ingeniero, comenzó como aprendiz de zapatero, luego pasó por el ejército donde se interesó por la física y la matemática. Construyó en 1825 el primer electroimán. Poco después en 1832 Joseph Henry hizo lo mismo de manera independiente y diseño el primer motor, lo que logró en 1832 Sturgeon creando un motor eléctrico para el que ideó el primer conmutador.

El primer electroimán era un trozo de hierro de 200gr con forma de herradura, envuelto por una bobina de hilo conductor. Demostró su potencia levantando 4 kg con su aparato. Al poder regular la cantidad de electricidad que recibía y por tanto su potencia, fue la primera máquina eléctrica y abrió el camino a las maquinas controladas por electricidad. Los electroimanes son la base del telégrafo y de los motores eléctricos.

Electroimán de Sturgeon
Electroiman de Sturgeon (Fuente: tonybolanyo)

viernes, 22 de enero de 2016

Historia de la electricidad (XVI): Hágase la luz


Humphry Davy (1778 - 1829)

Davy fue un gran químico británico, y probablemente el científico más respetado del momento, a pesar de que su formación fue autodidacta, pues su padre era escultor en madera y no le pudo proveedor de educación universitaria, pero a pesar de ello con 19 años comienza su interés por la química, y con 23 es  uno de los principales conferenciantes de la Royal Institution of Great Britain, una institución similar a la Royal Society que se crea para dar conferencias principalmente. Tal era el interés que despertaban las charlas de Davy que provocaba problemas de tráfico en la zona, y llegó a cobrarse la entrada a 20 libras, lo que a día de hoy serían más de 1.000 Euros. 

Fue el mentor de Michael Faraday, que le sucedió en la Royal Institution cuando Davy pasó a presidir la Royal Society, pero aunque rico y famoso en esa época, remedando a Newton y otros grandes científicos la vanidad humana puede más que la ciencia, y los celos profesionales con su antiguo protegido Faraday amargaron el final de su vida.
Viñeta humorística sobre Davy (en el centro) realizada por James Gillray (Fuente: chemicool.com)
Interesado principalmente en la química, comenzó con el estudio de gases y sus aplicaciones medicinales, principalmente el óxido nitroso (gas de la risa), realizó estudios sobre la corrosión galvánica, también realizó estudios sobre geología y diseñó una lámpara de seguridad para los mineros, que protegía la llama tras una rejilla, y de esta forma en caso de acumulaciones de gas no provocaba explosiones.

Conocedor que una corriente eléctrica podía descomponer algunas substancias, en 1802 construyó en los sótanos de la Royal Institution una gran pila de Volta, formada por 200 grupos unidos entre sí, cada uno usando 10 pares de placas bañadas en ácido, cada placa tenía 0'81m2, lo que se convirtió en el mayor generador eléctrico del momento (además de ser una fuente de malos olores y ambiente poco saludable), por lo que es el padre de la electrólisis para descomponer substancias.

Esta gran batería que generaba un alto voltaje, y el uso de la electrolisis, le permitieron ser el primero en reconocer substancias como el Sodio, Potasio o Aluminio, y diseñó procesos para obtener el Boro, Magnesio, Estroncio o el Calcio. También fue el primero en demostrar que el Cloro era una substancia y no un compuesto. Sus experimentos le condujeron al estudio de las reacciones ácido-base, estableciendo que un ácido en combinación con una base produce una sal más agua, definición clásica en química.

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Davy demostrando el uso de su lámpara de seguridad a unos mineros (fuente: healeyhero.co.uk)

Pero hay otro descubrimiento que le harán pasar a la historia, en un momento en que la luz se producía siempre con una llama, en la navidad de 1808 dio una conferencia muy famosa, pues tras probar con varias substancias como el bronce, que era el que usaba habitualmente para los contactos, ya que los metales no resistían las temperaturas, acercó dos electrodos de carbón e iluminó la sala con la brillante luz del arco voltaico. Fue la primera vez en la historia en que se iluminaba una sala con la electricidad.

Arriba la charla, abajo la gigantesca batería del sótano (fuente: circuitos3)

Las lámparas de arco producen mucha luz pero también mucho calor, y hay un desgaste continuo de los electrodos por lo que hay que usar un mecanismo que los mantenga a la distancia adecuada en todo momento, aunque se hicieron intentos de fabricar bombillas de arco no fructificaron en ventas, aunque si está documentado su uso para iluminar un teatro, siendo la primera vez que se conseguía iluminar de forma habitual con electricidad, y hubo intentos para su uso en la iluminación de calles, pero no fructificaron. Su uso habitual ha sido en los altos hornos, no para iluminar sino para calentar el mineral, y aunque hoy día ya no se emplean casi hasta hace poco se usaban todavía en los grandes proyectores, como los que se emplean en las salas de cine.

martes, 19 de enero de 2016

Historia de la electricidad (XV): La electricidad animal, la revolución y el mostruo, parte tres



La pugna entre la "electricidad animal" y la "electricidad metálica" no terminó con la pila de Volta, sino que surgió una corriente de seguidores del "galvanismo", y muchos médicos convencidos de esta teoría quisieron usarla durante el siglo XIX para curar ciertas parálisis, hasta que la falta de resultados acabó definitivamente con ella. Como efecto colateral de esta corriente hay dos logros, el moderno desfibrilador cardíaco aunque sigue otros principios proviene de las ideas de Galvani sobre la conducción eléctrica de los nervios y los músculos, y surge una de la obras maestras de la Ciencia Ficción.

Giovanni Aldini (1762-1834) era sobrino de Luigi Galvani, buen físico, en 1798 fue nombrado profesor de física en Bolonia, donde investigó sobre sistemas para mejorar la construcción e iluminación de los faros y recubrimientos para la protección contra incedios de los materiales, el emperador de Austria le nombró caballero de la Orden de la Corona de Hierro y consejero de estado en Milán, pero pasó a la historia por ser uno de los mas enconados defensores del Galvanismo y el iniciador de una macabra forma de experimentar.

Tras electrocutar cadáveres de animales de todo tipo, fué el primero en hacerlo con cadáveres humanos de ajusticiados, siendo muy famosa la que realizó en Londres en 1803, donde el cadaver  comenzó a colvulsionar, llegando a alzarse, de forma que los asistentes experimentaron una danza macabra. El experimento mejor documentado se realizó en 1818 en la universidad de Glasgow (Escocia), en una época donde no había muchas diveriones el pueblo podía asistir a estos experimentos, y el doctor y químico Andrew Ure (1778 - 1857) les dió un gran espectáculo, aplicando corriente a varios nervios de la cara del cadaver de un ajusticiado en la horca y aumentando los voltajes gradualmente, consiguió lo que parecía la reanimación del cadaver, que exibía todo tipo de muecas horribles en su rostro.

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Viñeta humorística de la época sobre la galvanización de los cuerpos (Fuente: elfolcloristadigital)
Estos experimentos se basaban en la idea de Galvani de la "electricidad animal", el celebro produce electricidad, los nervios la llevan a los músculos donde se acumula, y es usada cuando es necesario su movimiento, por lo que los médicos experimentaron con la electricidad, intentando en vano recargar los músculos paralizados de electricidad para devolverles el movimiento, principalmente los de la cara por los ictus, aplicando electricidad a los pacientes que sufrían dolorosas descargas eléctricas, curiosamente producidas por la "electricidad metálica" de la pila ideada por el principal oponente a esta corriente, Volta.

Aplicando la electricidad a los pacientes con problemas musculares, fotografía de 1865, colección del MoMA. La imágen principal hoy día se cree que es un montaje, ya que los tiempos de exposición eran prolongados y la fotografía no está movida (Fuente: naukas.com)
Esta corriente del Galvanismo fué finalmente desechada al no conseguirse resultados, pero la idea de resucitar un cadaver usando la electricidad impresionó a una joven y la inspiró para una obra inmortal.

Mary Wollstonecraft Shelley (1797-1851), escritora y editora, fué hija del filósofo y político William Godwin y de Mary Wollstonecraft implicada en el movimiento feminista. Conoció al poeta Percy Bysshe Shelley, que abandonó a su esposa y juntos viajaron por Europa unos años, cuando quedó embarazada regresaron a Inglaterra, donde su relación no fué bien vista por la sociedad de la época y tuvieron la desgracia de la muerte de su hija nacida prematura. Dos años mas tarde se suicida la esposa de Shelley, por lo que finalmente contrajeron matrimonio en 1816. Se establecieron en Italia en 1818, donde tras dos abortos mas nació por fin su único hijo. En 1822 fallece Shelley en un naufragio, ella regresó a Inglaterra un año después, y se dedicó a escribir relatos y a publicar la obra de su marido.

Poco antes de su boda pasaron el verano en una casa cerca del Lago de Ginebra (Suiza), alquilada por el poeta George Byron (mas conocido como Lord Byron), que pasaba el verano junto a su médico John Polidori y a Claire Clairmont. En una de las veladas del extraño verano de ese año en que las tormentas eran contínuas, Polidori habló del movimiento de moda, el Galvanismo y los experimentos con cadáveres, lo que impresionó a la joven. Mas adelante apostaron entre todos a ver quien era el que conseguia escribir el mejor relato de miedo, Polidori escribió "El vampiro", publicado en 1819, iniciando el género del vampiro romántico (por la época romántica no por el amor romántico), que inspiró el Drácula de Bram Stoker, pero fué ganado por Mary, que inspirada por la electricidad, escribió "Frankenstein; or, The Modern Prometheus" (Frankenstein o el moderno Prometeo), publicado en 1818.
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Portada de la novela (Fuente: Wikipedia)

En la novela el doctor Víctor Frankenstein, obsesionado con emular a Dios, junta partes de diversos cadáveres para crear un cuerpo perfecto y enorme, pues mide 2'44 de altura, y usando la electricidad de una tormenta le insufla la vida, pero al ver a su horrible criatura comprende el error de su creación, huye quemando el laboratorio y da al mostruo por muerto. Pero el mostruo no perece, y tras sentir el rechazo de todos por su horrible forma humana, planea su venganza sobre el doctor haciéndole padecer antes de acabar con su vida, por lo que comienza matando a su hermano. Solo Victor es conocedor de la identidad del asesino, pero deja que una criada pague por el crimen, lo que aumenta sus remordimientos y se retira al Montblanc, donde vuelve a econtrarse al mostruo, que le habla del rechazo de la sociedad y le pide que cree una compañera, solo entonces le dejará en paz. Victor organiza un nuevo laboratorio en Escocia, y comienza la labor, pero no es capáz de completar su obra destruyendo el nuevo laboratorio. El mostruo, como venganza, primero asesina a su mejor amigo y luego, en la noche de bodas, a su esposa, por lo que Victor jura acabar con el, y persigue al mostruo hasta el confín del mundo, muriendo en un barco en el ártico. El mostruo aborda el buque, da por completada su venganza, y decide acabar con su vida retirándose en un trineo.

En toda la novela no se da nombre al mostruo, se le menciona como "la criatura", "el engendro" y nombres similares, pero hoy día es habitual llamarlo Frankenstein como a su creador, aunque lo adecuado es usar siempre "mostruo de Frankenstein" para denominarlo.

Esta gloriosa cima de la ciencia ficción no debe faltar entre las lecturas de los buenos amantes del género, el tema de la emulación de Dios y el dominio de la naturaleza por el hombre fué muy habitual en esa época, y se mantuvo in crescendo hasta el echo culminante que fue el hundimiento del Titanic en 1912, la máquina perfecta que personificaba el domino supremo sobre la naturaleza, enorme, lujoso, el tercer de buque mas rápido del momento con sus 29 calderas de vapor que alcanzaba 21 nudos de velocidad de crucero y 23 de velocidad máxima, que como castigo por la soberbia de sus constructores se hundió en su primer viaje.

lunes, 18 de enero de 2016

Historia de la electricidad (XIV): La electricidad animal, la revolución y el mostruo, parte dos


En esta segunda parte veremos lo que es la pugna de la ciencia para alcanzar la verdad, no vale con hacer un experimento si no que este debe poder repetirse de manera independiente por otras personas para que se acepten, y en ciencia no solo hay que afirmar las cosas, sino que hay que demostrarlas, y no siempre las explicaciones de un fenómeno son aceptadas. La pugna marca esta segunda parte.

Alessandro Volta (Italia 1745-1827)

Compatriota de Galvani en la Italia que comenzaba a unificarse en esa época, también era de familia noble. A pesar de que sus padres querían que estudiase leyes, se decantó por la ciencia, a los 17 años ya se escribía con estudiosos franceses del fenómeno eléctrico. Estudió física, publicó un trabajo llamado "De vi attractiva ignis electrici ac phaenomena inde pendentibus" (sobre la fuerza atractiva del fuego eléctrico y fenómenos relacionados), a partir del cual fue nombrado profesor de física en la Escuela Real de Como, y luego profesor en la Universidad de Pavía.

Para sus estudios ideó el electróforo, un dispositivo que funcionaba como un condensador para almacenar cargas estáticas, un dispositivo más sencillo y menos peligroso que la botella de Leyden. Benjamin Franklin había desarrollado una variante de la Botella sin agua, el cuadrado de Franklin, en forma de un disco de vidrio recubierto de metal, y Volta lo mejoró creando el "elettroforo perpetuo", reemplazando el vidrio por resina y uniéndolo a un mango aislante, de esta forma se cargaba de electricidad por contacto con una base cargada, entre las dos caras se acumulaba la carga, normalmente positiva arriba y negativa abajo, actuando como un condensador, y se podía manejar con el aislante sin problemas, las cargas no eran demasiado grandes por lo que era más segura que la botella y permitía un mejor control para el estudio de la electricidad.
Electróforo de Volta
Electroforo de Volta (fuente: culturacientifica.com)

Su interés por el tema eléctrico le llevó a la amistad con Galvani, y al conocer la experiencia de 1780 con la rana  y los metales no tardó en repetir el experimento para confirmarlo. Sin embargo, no quedó satisfecho con la teoría de la "electricidad animal", por lo que siguió investigando el tema, llegando a la conclusión de que la electricidad se producía por la diferencia de potencial de los metales y que no estaba almacenada en los músculos de la rana, ni necesitaba de esta para producirse, lo que le llevó a defender la idea de la "electricidad metálica", que revolucionó el estudio de la electricidad y le llevó a la enemistad con Galvani por no aceptar sus ideas.

Como pensaba que uniendo dos metales diferentes se producía electricidad, pero en pequeñas cantidades, y que el cuerpo de la rana solo aportaba un medio para conducirla, para aumentar su efecto ideó lo que llamó "la pila de Volta", ya que literalmente apiló una serie de discos de dos metales diferentes, zinc y cobre, separados por discos de fieltro impregnado de un ácido para reemplazar al tejido animal, creando el segundo generador de electricidad de la historia tras los electrostáticos, y el primero que permitía no depender de una carga estática que se acumulase, sino que ubicando más o menos láminas de metal se podía obtener más o menos electricidad, lo que permitía un control necesario para la experimentación, y de paso comenzó la revolución eléctrica, ya se podía generar electricidad a voluntad y estudiar su comportamiento dinámico con detalle, ya no se dependía de la generada de manera estática, sino que se producía de forma continua y se podía estudiar mejor, con cargas mejor ponderadas.
La batería de Volta (Fuente: Wikipedia)

La invención de la pila de Volta tiene fecha de 1794, aunque la confirmación de sus ideas se produjo realmente en 1800 por la Royal Society, tras recibir una carta de Volta explicando su invención. En 1801 fue invitado por Napoleón, viajó a París y expuso sus trabajos ante la Academia de Ciencias Francesa y ante el propio Napoleón, gran apasionado de la ciencia, en sus expediciones viajó siempre con científicos para que estos estudiasen los países por donde pasaban, siendo los primeros que describieron el antiguo Egipto y sus grandes monumentos durante la campaña egipcia. En 1815 el emperador de Austria lo nombró director de la facultad de filosofía de la Universidad de Padua.

Cuadro del museo de Como, Volta mostrando su pila a Napoleón. En una época en que no existía la fotografía los cuadros eran la fuente natural de imágenes, y de esta visita hay al menos tres cuadros diferentes lo que demuestra la importancia de la misma (fuente: dydaktyka.fizyka.umk.pl)

En su honor la unidad de medida de la tensión de la corriente eléctrica, del potencial eléctrico y de la fuerza electromotriz se denominó Voltio, y a partir de su Pila Voltaica J.F. Daniel ideó la batería de plomo que seguimos usando actualmente en los vehículos en 1959.

miércoles, 13 de enero de 2016

Historia de la electricidad (XIII): La electricidad animal, la revolución y el mostruo, parte uno



El siglo XIX trae la revolución a la electricidad cuando una pugna de ideas conduce a su dominio y a la primera forma de generar cargas en movimiento. Esta parte de la historia es la que marca un antes y un después, es la que lleva a la electricidad de ser una curiosidad de los científicos a iluminar la vida, hoy día no concebimos una sociedad sin luz, y esto es fruto de la lucha intelectual entre dos científicos italianos a finales del siglo dieciocho, que abre el siglo diecinueve con una revolución y una de las mejores obras de ciencia ficción de la historia.

Esta entrada está distribuida en tres partes, Galvani, Volta y una especial para el monstruo creado por la electricidad. 

Luigi Galvani (1737-1798)

Esta historia se desarrolla en Italia, comienza con el médico, fisiólogo y físico Luigi Galvani, gran apasionado investigador del fenómeno eléctrico, que en la universidad de Bolonia daba clases de medicina, y gustaba de en sus clases mostrar cosas prácticas. Estaba muy bien considerado como profesor, estuvo 35 años dando clases en la universidad de Bolonia, y también como médico y cirujano en varias instituciones, pero gran patriota, se negó a jurar lealtad a Napoleón cuando este invadió Italia, por lo que fue apartado de la universidad.
El azar y la casualidad son grandes aliados de los buenos científicos, los que a partir de una observación casualidad investigan su causa y llegan a un descubrimiento, la historia de la ciencia está llena de estas cosas.
Preparando unas clases en 1780 estaba diseccionando una rana, colgó una de sus patas de un gancho de cobre, y accidentalmente tocó la pata y el cobre con un bisturí de otro metal, hubo una pequeña descarga y esto hizo que la pata se contrajera. Repitió el experimento hasta convencerse de que el motivo era una pequeña descarga eléctrica, y luego provocó las contracciones usando directamente electricidad.

Experimentos de Galvani (Fuente: elfolcloristadigital)

Esto le llevó a varias conclusiones, algunas correctas y otras falsas, la correcta fue que contra de la creencia del momento propugnada por Descartes, los nervios no servían para conducir líquidos por el cuerpo sino que identificó que eran los responsables de transmitir impulsos que movían los músculos, aunque por desgracia no consiguió medir su nivel al carecer de instrumentos tan sensibles, los impulsos nerviosos son de muy bajo nivel eléctrico. La teoría errónea fue la que motivó la revolución, pues en su libro de 1791 "De viribus electricitatis in motu musculari commentarius" (Comentario sobre las fuerzas eléctricas que se manifiestan en el movimiento muscular) postulaba que la electricidad era producida en el celebro, transmitida por los nervios, y acumulada en los músculos, carga negativa en su exterior y positiva en su interior, y cuando se unían se usaba para producir el movimiento. Esto es lo que denominó "electricidad animal", en contra de la "electricidad metálica" que producía poniendo en contacto metales diferentes entre sí, y fue una corriente de seudo-ciencia muy popular en el siglo XIX, con la esperanza de que recargando los músculos de electricidad se pudieran curar las parálisis.

Pinzas para el experimento de Galvani (Fuente: institutosanisidoro.com)

Como investigador de la electricidad pura estudió el fenómeno que se producía al unir dos metales diferentes, ordenando los metales según su carga, lo que le llevó a descubrir una forma de recubrir un metal con otro siempre que el de carga mayor recubra al de carga menor. Este proceso se denomina Galvanización.

miércoles, 6 de enero de 2016

Historia de la electricidad (XII): Ya sabemos pesar voltios, pero ¿cuanto pesa la tierra?



Henry Cavendish 

    En esta entrada divagaré un poco de la historia de la electricidad, ya que la contribución de Cavendish a la historia de la ciencia es importantísima, no solo en lo relacionado con la electricidad, y sigue en uso hoy día. Su vida personal le fue muy propicia para dedicarse a la ciencia, ya que era hijo de un noble, por lo que tras sus estudios vivió de una pensión que le pasaba su padre, hasta heredar una gran fortuna de su abuelo. Hombre solitario y misógino, se le consideraba excéntrico, lo que hoy día sería un friki.

    Es uno de los grandes impulsores de la química, su principal rama de estudio, donde estudió el calor y los gases, siendo el primero en descomponer el agua y afirmar que estaba compuesta de dos "aires" diferentes, lo que mas adelante Lavoisier (uno de los puntales de la química moderna) usó para fijar las bases de los compuestos y las ecuaciones químicas.

    En el tratado Factitious Airs ("Sobre el Aire Ficticio") afirmaba que el agua estaba compuesta de aire deflogistizado (lo que conocemos como oxígeno) unido al flogisto (lo que conocemos como hidrógeno) que fue el primero en sintetizar y reconocer. También descubrió otros gases como el anhídrido carbónico, demostrando que este apagaba la llama y acababa con la vida. No solo descompuso el agua, sino que en 1784 usando una chispa eléctrica fue el primero en consiguió unir de nuevo una mezcla de oxígeno e hidrógeno para producir agua. Este tipo de reacciones se siguen empleando hoy día, son la base de los sopletes y de la propulsión de los cohetes.

    Aunque fue el primero en hablar de potencial eléctrico y en sus escritos sugirió la ley de Coulomb, no llegó a experimentar para probarla al no disponer de instrumentos adecuados (medía la cantidad de corriente con las manos según el grado de dolor que le producía, pero eso no se considera en ciencia como una medición fiable), y muchas de sus ideas sobre la electricidad quedaron olvidadas varios años, volviendo a ser descubiertas por otros.

    En esa época se hablaba mucho de un pez amazónico que producía fuertes descargas eléctricas, el pez torpedo, por lo que fue objeto de muchos estudios en su momento, concluyendo que una zona de su cuerpo en forma de celdillas era la que la producía. Cavendish quiso realizar una imitación, por lo que usó una botella de Leyden, lo que mezclado con agua no es precisamente la mejor forma de experimentar, y más sabiendo que lo probaba con sus manos.

    El pez torpedo de Cavendish (fuente: royalsocietypublishing)

    Su gran contribución a la física fue pesar la Tierra. Para ello tenía que calcular la fuerza de la gravedad, lo que consiguió usando una balanza de torsión, de la que colgó una barra de unos dos metros con dos pesos de plomo, y acercó dos esferas de plomo de 12 kilos a cada una. Midiendo la fuerza de torsión del hilo se podía determinar la fuerza gravitatoria, pero esta es tan débil que cualquier alteración de las condiciones del experimento en cuanto a calor o humedad, o una ligera brisa podía mover el hilo falseando el resultado, por lo que recurrió a encerrar el aparato en una gran caja de madera, de esta forma las condiciones en su interior eran estables.

    La balanza de torsión de Cavendish (fuente: kierul)

    La torsión del hilo es muy ligera, sería el equivalente a pesar un grano de arena, por lo que a través de un agujero medía la torsión sobre una escala usando un telescopio que se lo aumentara, lo que le permitió mejorar su precisión, lo que le llevó a decir que la densidad de la tierra era de 5'48 veces la del agua, y a partir de esto y su tamaño se podía calcular su peso. Realmente unos años después se descubrió un error aritmético en sus cálculos, por lo que el resultado real que dio era de 5'448 veces. La medición moderna da un resultado de 5'5268, lo que es solo un 1'5% diferente.

    Cavendish no calculó la contante de gravitación universal, lo que hoy día llamamos g, ya que no le era necesaria en sus cálculos, pero en el siglo XIX se vió que a partir de los datos de su estudio se podía obtener.

    lunes, 4 de enero de 2016

    Historia de la electricidad (XI): ¿cuanto pesa un voltio?



    Joseph Priestley (1733-1804)

    Siguiendo lo habitual en la época, ordenado en 1762 como Ministro de la Iglesia de los Disidentes (una rama separada de la Iglesia de Inglaterra), fue un reconocido teólogo a la par que uno de los fundadores de la química moderna. Tras conocer a Franklin en 1766 en la Royal Society de Londres, se interesa por la electricidad, y publicó en 1767 "The History and Present State of Electricity (Historia y estado actual de la electricidad)", o en 1768 "Familiar Introduction to Electricity (Introducción informal a la Electricidad)" un libro sobre experimentos con ella.  Entre sus galardones destacan la medalla Copley otorgada por la Royal Society en 1773.

    Publicó varios trabajos sobre óptica, y como químico pasará a la historia como el descubridor de  varios gases (lo que denominaba "aires") como el amoníaco, el óxido nitroso (conocido como el gas de la risa), el dióxido de azufre, el monóxido de carbono, y sobre todo el que llamaba "aire desflogistizado" (el flogisto merece unas cuantas entradas por sí solo, se creía que era un fluido invisible que permitía la combustión y el calor), el oxígeno, del que describió su función en la combustión y en la respiración de los seres vivos.

    Pero hoy día le debemos uno de los productos más consumidos en el mundo, el agua carbonatada. En 1772, buscando una solución al escorbuto, publicó un panfleto titulado Directions for Impregnating Water with Fixed Air (Directrices para impregnar el agua con aire). El no ganó nada con su idea, pero sí lo hicieron otros, el primero en ganar una fortuna con la idea fué J. J. Schweppe.
     
    "Máquina eléctrica para experimentadores amateurs", ilustración de su libro "Introducción familiar al estudio de la electricuidad (Fuente: Wikipedia).
    En relación a la electricidad fue el primero en demostrar que el carbón de leña es un conductor de la electricidad, los electrodos de carbón tuvieron un papel importante en la bombilla de Edison y se siguen usando mucho hoy día en aparatos que generan arcos voltaicos. Pero sus principales contribuciones a la teoría eléctrica fueron postular (aunque no probar) en 1766 que la fuerza que se ejercía entre las cargas eléctricas era similar a la atracción gravitatoria, y también que la carga eléctrica se distribuía uniformemente en la superficie de una esfera hueca, mientras que en el interior de la misma no había carga.

    Charles Coulomb (1736-1806)

    Este francés demostró la idea de Priestley. Fue ingeniero militar, experto en fortificaciones, contribuyó con sus estudios en temas como la resistencia de materiales o el cálculo de estructuras, la fricción (su tratado sobre ella fue usado durante 150 años como base de estudio de la materia) o las brújulas, pero su gran contribución fue el uso de las balanzas de torsión para medir fuerzas. Fue nombrado presidente de la Academia Francesa.

    En 1777 publicó su tratado sobre los fundamentos del magnetismo y la electrostática, realizando mediciones mediante una balanza de torsión. Esta es un hilo colgado de un soporte, en cuyo extremo se sujeta una varilla perfectamente equilibrada con dos bolas en los extremos de la varilla, se cargan con una cantidad de electricidad medida, y se acerca a un extremo otra bola cargada con una cantidad medida de electricidad, la fuerza existente entre las cargas de las dos bolas produce una fuerza, que se mide usado el grado en que se retuerce el hilo, este mismo sistema, mejorado ubicando un espejo en el hilo y midiendo el reflejo de una luz sobre una pared, para que amplificara el movimiento del hilo, se usó para medir la fuerza de la gravedad, mucho más débil.

    Ilustración de los registros de la Academia Francesa de Ciencia de 1784 sobre la balanza de torsion de Coulomb (fuente: Wikipedia).

    Estas mediciones le llevaron a la fórmula que indica que la fuerza entre dos cargas es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa, resultando una ecuación idéntica a la de Newton sobre la gravedad, cambiando la constante de proporcionalidad (esto no es casual, el repetir el cuadrado de la distancias nos dice que las leyes del universo son muy simétrica, ya que todo quedó fijado en el mismo momento en que explotó el big-bang, la historia del primer segundo del universo es la que investigan actualmente los cosmólogos).

    Hoy se conoce a esto como la Ley de Coulomb y es lo primero que se estudia siempre en los libros sobre electrónica, ya que el cálculo de las fuerzas de atracción y repulsión entre cargas eléctricas es uno de los fundamentos la electrostática. Posteriormente y como homenaje a sus estudios su nombre se asoció a la cantidad de carga eléctrica que se almacena en un condensador, lo que denominamos su capacidad, los Culombios en nuestro país aunque la unidad realmente se denomina Coulombio.