Tarro de Leyden
Un jarro de Leyden (o jarro de Leiden, o arcaicamente, a veces jarro de Kleistian) es un componente eléctrico que almacena energía eléctrica de alto voltaje. carga (de una fuente externa) entre los 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 al interior y las superficies exteriores, y un terminal de metal que se proyecta verticalmente a través de la tapa del frasco para hacer contacto con la lámina interna. Era la forma original de capacitor (también llamado condensador).
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.
La botella 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 podían descargarse a voluntad del experimentador, superando así un límite significativo para las primeras investigaciones sobre la conducción eléctrica. Las botellas 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 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". 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, de ahí la popular analogía de la chispa.
Alrededor de 1650, Otto von Guericke construyó un generador electrostático rudimentario: 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 fueron de gran ayuda en el estudio de la electricidad.
La botella 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.
La botella de Leyden es un dispositivo de alto voltaje; se estima que, como máximo, las primeras botellas de Leyden podían cargarse de 20 000 a 60 000 voltios. 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.
Von Kleist
Ewald Georg von Kleist descubrió la inmensa capacidad de almacenamiento de la botella de Leyden mientras trabajaba con una teoría que veía la electricidad como un fluido y esperaba que una botella de vidrio llena de alcohol 'capturara' este fluido. Fue diácono en la catedral de Camin en Pomerania, una región ahora dividida entre Alemania y Polonia.
En octubre de 1745, von Kleist intentó acumular electricidad en una pequeña botella de medicina llena 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 desde un gran conductor principal (inventado por Bose) suspendido sobre su máquina de fricción.
Von Kleist sabía que el vidrio proporcionaría un obstáculo para el escape del "fluido", por lo que estaba convencido de que una carga eléctrica sustancial podría acumularse y retenerse en su interior. Recibió una descarga significativa del dispositivo cuando accidentalmente tocó el clavo a través del corcho mientras aún sostenía la botella en la otra mano. Comunicó sus resultados a al menos cinco experimentadores eléctricos diferentes, 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. El físico polaco-lituano Daniel Gralath se enteró de von Kleist&# 39 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 fue dijo que el experimento funcionaría mejor si se usaba el tubo medio lleno de alcohol). Gralath (en colaboración con Gottfried Reyger) consiguió el efecto deseado el 5 de marzo de 1746, sosteniendo un pequeño frasco de medicina de vidrio con un clavo adentro en una mano, acercándolo a un generador electrostático y luego acercando la otra mano al clavo. Von Kleist no entendió el significado de su mano conductora sosteniendo la botella, y tanto él como sus corresponsales se resistieron 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 von Kleist en Leyden se dieran cuenta de que la mano proporcionaba un elemento esencial.
Musschenbroek y Cunaeus
La invención de la botella 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 fabricó instrumentos científicos y médicos para los nuevos cursos universitarios de física y para científicos interesados en establecer sus propios 'gabinetes' de curiosidades e instrumentos.
Ewald von Kleist es el primero en utilizar la analogía de los fluidos para la electricidad y se lo demostró a Bose extrayendo chispas del agua con su dedo.
Al igual que von Kleist, Musschenbroek también estaba interesado e intentaba repetir el experimento de Bose. Durante este tiempo, Andreas Cunaeus, un abogado, se enteró de este experimento de Musschenbroek e intentó duplicar el experimento en casa con artículos para el hogar. Sin darse cuenta de la 'Regla de Dufay', que establece que el aparato experimental debe estar aislado, Cunaeus sostuvo su jarra en la mano mientras la cargaba y, por lo tanto, fue el primero en descubrir que una configuración experimental de este tipo podría generar una descarga severa.. Informó de su procedimiento y experiencia al filósofo natural suizo-holandés Jean-Nicolas-Sebastian Allamand, colega de Musschenbroek. Allamand y Musschenbroek también recibieron fuertes golpes. 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. Abbé 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 (traducida del latín al francés).
El outlet de Musschenbroek en Francia para la venta del 'gabinete' dispositivos fue el Abbé Nollet (quien comenzó a construir y vender instrumentos duplicados en 1735). Nollet luego le dio al dispositivo de almacenamiento eléctrico el nombre "Leyden jar" y lo promocionó como un tipo especial de frasco para su mercado de hombres ricos con curiosidad científica. El "jarro kleistiano" por lo tanto, fue promocionado como el tarro de Leyden , y como descubierto por Pieter van Musschenbroek y su conocido Andreas Cunaeus. Musschenbroek, sin embargo, nunca afirmó que lo había inventado, y algunos piensan que se mencionó a Cunaeus solo para restarle crédito.
Otros desarrollos
Meses después del informe de Musschenbroek sobre cómo crear una botella de Leyden de forma fiable, otros investigadores eléctricos estaban fabricando y experimentando con sus propias botellas de Leyden. Uno de sus intereses originales expresados era ver si se podía aumentar el cargo total posible.
Johann Heinrich Winckler, cuya primera experiencia con una sola botella de Leyden se informó en una carta a la Royal Society el 29 de mayo de 1746, había conectado tres botellas de Leyden en una especie de batería electrostática el 28 de julio de 1746. 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 las opiniones del rey ni de los sujetos experimentales.
Daniel Gralath informó en 1747 que en 1746 había realizado experimentos conectando dos o tres frascos, probablemente en serie.
En 1746-1748, Benjamin Franklin experimentó con la carga de botellas de Leyden en serie y desarrolló un sistema que involucraba 11 paneles de vidrio con placas delgadas de plomo pegadas en 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. Es posible que la elección de Franklin de la palabra batería se inspirara en 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. Este es el primer uso registrado del término batería eléctrica. Los desarrollos múltiples y rápidos para conectar las botellas de Leyden durante el período 1746–1748 dieron como resultado una variedad de relatos divergentes en la literatura secundaria sobre quién fabricó la primera "batería" conectando botellas de Leyden, ya sea en serie o en paralelo, y quién utilizó por primera vez el término "batería". El término se usó más tarde para combinaciones de múltiples celdas electroquímicas, el significado moderno del término "batería".
El físico, químico y meteorólogo sueco Torbern Bergman tradujo gran parte de los escritos de Benjamin Franklin sobre electricidad al alemán y continuó estudiando las propiedades electrostáticas.
A finales de 1756, Franz Aepinus, en una complicada interacción de cooperación y trabajo independiente con Johan Wilcke, desarrolló un "condensador de aire", una variación de la botella de Leyden, utilizando aire en lugar de vidrio como el dieléctrico Este aparato en funcionamiento, sin vidrio, creó un problema para la explicación de Benjamin Franklin de la botella de Leyden, que sostenía que la carga estaba ubicada en el vidrio.
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 botella de Leyden se había vuelto lo suficientemente común como para que los escritores asumieran que sus lectores conocían y entendían su funcionamiento básico. Alrededor del cambio de siglo, comenzó a usarse ampliamente en transmisores de chispas y equipos de electroterapia médica. 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 la botella de Leyden evolucionara hacia la forma compacta moderna de capacitor.
Diseño
Un diseño típico consiste en un frasco de vidrio con lámina de estaño conductor que recubre las superficies interior y exterior. Los revestimientos de lámina se detienen antes 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 hoja interior, para permitir que se cargue. La jarra se carga con un generador electrostático u otra fuente de carga eléctrica, conectada al electrodo interior mientras que la lámina exterior está conectada a tierra. Las superficies interior y exterior del frasco almacenan cargas iguales pero opuestas.
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 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 de la jarra con papel de aluminio, y también descubrió que podía lograr el mismo efecto usando una placa de vidrio con papel de aluminio en ambos lados. Estos desarrollos inspiraron a William Watson en el mismo año para hacer un frasco con un revestimiento de lámina de metal tanto por dentro como por fuera, eliminando el uso de agua.
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.
Desarrollos posteriores 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 capacitor, incluso en el vacío.
Almacenamiento de la carga
Al principio se creía que la carga se almacenaba en el agua de las primeras botellas de Leyden. En la década de 1700, el estadista y científico estadounidense Benjamin Franklin realizó extensas investigaciones de frascos de Leyden llenos de agua y 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 esto consiste en desarmar un frasco después de haberlo 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 está en una carta de 1749 de Franklin. Franklin diseñó un "disectable" Jarra de Leyden (derecha), que fue ampliamente utilizada en manifestaciones. El frasco está construido con una copa de vidrio anidada entre dos copas de metal que encajan bastante bien. Cuando la jarra se carga con un alto voltaje y se desmonta con cuidado, se descubre que todas las partes se pueden manipular 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 capacitores 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. En la jarra de Leyden desarmable, la carga se transfiere a la superficie de la copa de vidrio por descarga de corona cuando se desarma la jarra; esta es la fuente de la carga residual después de volver a montar el vaso. Manipular la copa mientras está desarmada no proporciona suficiente contacto para eliminar toda la carga superficial. El vidrio sódico es higroscópico y forma una capa parcialmente conductora en su superficie, que retiene la carga. Addenbrooke (1922) descubrió que en un frasco desarmable hecho de cera de parafina o vidrio horneado para eliminar la humedad, la carga permanecía en las placas de metal. Zeleny (1944) confirmó estos resultados y observó la transferencia de carga corona.
Cantidad de carga
Originalmente, la cantidad de capacitancia se medía en número de 'tarros' de un tamaño dado, o a través del área recubierta total, suponiendo un espesor y una composición del vidrio razonablemente estándar. Una botella de Leyden típica de una pinta tiene una capacitancia de aproximadamente 1 nF.
Cargo residual
Si se descarga una botella de Leyden cargada cortando los revestimientos interior y exterior y se deja reposar durante unos minutos, la botella recuperará parte de su carga anterior y se podrá obtener una segunda chispa. 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.
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