[0:03]Electricidad estática.
[0:08]A principios del siglo XVIII, el mundo de la ciencia dedicó su atención al problema de la electricidad.
[0:16]Había una buena razón para ello. Hubo muchos científicos por entonces, que ganaban su sustento dando conferencias. O bien como itinerantes que iban de ciudad en ciudad y hablaban ante cualquiera que hubiese comprado una entrada. O bien eran profesores universitarios, en ambos casos tenían que atraer al auditorio. Por supuesto hoy los profesores tienen un público garantizado, pero eso se debe a la obligatoriedad del curso que fue un invento muy posterior. En cualquier caso, aquellos científicos tenían que atraer al auditorio y con ese fin necesitaban hacer demostraciones ostentosas y la electricidad era justamente perfecta para eso. Una demostración típica de esa época era conseguir a un pilluelo de la calle, un chiquillo de 8 o 9 años. Lo amarraban bien al techo con hilos de seda. Lo cargaban eléctricamente con una máquina electrostática y hacían que la gente le sacara chispas de la nariz. Yo quería haberles hecho esta demostración, pero todos los golfillos estaban ya ocupados. Así que en vez de eso tendré que hacerlo con estas cosas. Pero antes de ningún experimento, quisiera explicarles algunos principios sencillos de electricidad. Esta tarde quiero mostrarles algunas cosas insólitas con objetos comunes que usamos normalmente. Aquí tenemos una baraja. El profesor científico y el ilusionista en escena parecen tener poco en común. 52, ¿las han contado? Y sin embargo no hay duda de que cada uno de ellos podría aprender algunos buenos trucos del otro. Buscamos los dos reyes negros. No tenemos más que hacer así. A lo largo de las etapas de la historia, si una persona ejercía la ciencia o la brujería, dependía frecuentemente del punto de vista del observador. Muy bien, uno rojo que si no me equivoco, creo que está exactamente en la mitad del mazo. Por lo tanto, lo que tengo que hacer es cortar la baraja por la mitad. Muy bien. Tanto si se trata de pura ciencia como de pura trampa, los antiguos griegos se dedicaban a ella con pasión. Eran tan rápidos en la ciencia como en los deportes, y muy pronto hicieron un asombroso descubrimiento sobre la naturaleza de la electricidad. Una simple varita de resina la froto sobre el conejo. Algunos materiales actúan como una varita mágica cuando se frotan con una piel de conejo y atraen pequeñas partículas de materia.
[2:35]Finalmente, los científicos serían capaces de explicar exactamente cómo funciona realmente este fenómeno: la electricidad. Y al contrario que el prestidigitador profesional, los primeros electricistas estaban deseosos de compartir los secretos de su oficio. Por ejemplo, una de las claves de la electricidad dejó de ser un secreto desde que Benjamin Franklin probó su habilidad en este campo.
[3:03]Difundió la versión que en inglés corriente era algo como esto: algo llamado carga, la carga eléctrica, es la causa de la fuerza eléctrica. Fue genial con reservas. Pero cuál era la conexión entre carga y fuerza?
[3:22]Tanto en la ciencia como en la magia, la elección del momento adecuado lo es todo, y en Francia, Charles Augustin Coulomb apareció con la respuesta.
[3:37]El experimento de Coulomb que reveló la relación entre carga y fuerza, sería verificado por otros científicos y lo más importante es que sería descrito en términos matemáticos sencillos. La ley de Coulomb establece que la fuerza eléctrica es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas.
[4:08]Además hay dos tipos de carga: positiva y negativa. Cuando la electricidad actúa entre cargas de signo diferente hace que se atraigan. Pero cuando actúa entre cargas de igual signo estas se repelen.
[4:32]Conforme a la ley de Coulomb, la fuerza que dos cargas ejercen sobre una tercera es la suma vectorial de las fuerzas que cada una de ellas ejercería por separado. De hecho, las fuerzas ejercidas por cualquier número de cargas positivas y cargas negativas se suman como vectores. De manera que la fuerza total se sigue calculando según la ley de Coulomb. Adviertan que las cargas positivas están representadas en rojo y las negativas en azul.
[5:12]La carga eléctrica ejerce a la vez que experimenta la fuerza eléctrica. Y la fuerza eléctrica obedece a la ley de Coulomb. Parece tan simple como un aparato eléctrico del siglo XVIII. Y parece como si eso fuera todo lo que hay.
[5:30]Pero las cargas eléctricas no existen aisladas. Por el contrario, la electricidad reside en la materia, los sólidos, líquidos y gaseosos del universo. Y no importa en qué forma: sólido, líquido o gas. La materia misma es esencialmente eléctrica por naturaleza. De manera que para entender la electricidad, uno debe primero llegar a un acuerdo con respecto a la materia. Por otro lado, para entender la materia, uno debe primero captar los fundamentos de la electricidad. De hecho, ninguna de las dos pueden entenderse sin la otra.
[6:14]En su estudio, Franklin comenzó pensando en la electricidad como un fluido combinado de alguna manera con la materia. Si había demasiado fluido, suponía la materia cargada positivamente con fluido eléctrico. Si había demasiado poco fluido, suponía que la materia estaba cargada negativamente de electricidad.
[6:39]Por lo tanto, en la mente de Franklin, la materia estaba en su estado normal, es decir, eléctricamente neutra y equilibrada, solo cuando contenía la cantidad correcta de fluido eléctrico. Franklin fue el primero en ver la electricidad en términos positivos y negativos. Pero en lugar de ver dos tipos distintos de cargas, veía demasiada o muy poca cantidad del mismo fluido eléctrico.
[7:04]Y aquí está el dado. En buenas manos, el simple fluido eléctrico de Franklin se convirtió en dos tipos de carga eléctrica. Y de estos dos, otros dos.
[7:18]Desaparecen de uno en uno en el cubilete. A la larga y acumulando conocimientos pieza a pieza, los científicos pudieron ponerlos juntos, como una única estructura, cuyos bloques básicos de construcción son átomos unidos por carga eléctrica positiva y negativa.
[7:37]En el centro de cada átomo hay un núcleo formado por protones y electrones. Los protones contienen su carga positiva. Los neutrones de los átomos no tienen carga, lo cual significa que son eléctricamente neutros. El núcleo, como en todo, está rodeado de electrones que tienen carga negativa. Y en conjunto, cada átomo neutro tiene el mismo número de protones y electrones.
[8:07]La carga positiva de cada protón equilibra la carga negativa de cada electrón y están unidos por la fuerza eléctrica de atracción entre ellos.
[8:18]Desaparecen de uno en uno en el cubilete de forma bastante misteriosa. Cuando vuelven a aparecer, pero esta acción bastante especial de equilibrar, como cualquier otra acción, no siempre es perfecta. En realidad, no todos los átomos son neutros. Algunos tienen demasiados electrones o demasiado pocos, en cuyo caso reciben el nombre de iones. De hecho, los iones sodio con carga neta positiva y los iones cloro con carga negativa, están unidos por la fuerza eléctrica formando los cristales de sal común.
[8:55]Pero ya sea que sus átomos estén ionizados o no, los sólidos, los líquidos o los gases, toda la materia del universo está unida por la fuerza de la electricidad.
[9:09]Con una simple moneda. Por ejemplo, de todas las formas de materia, ninguna muestra los efectos de la electricidad más claramente que los metales. Por otra de oro macizo. Oro, la materia de la que están hechos los sueños.
[9:34]A lo largo de los siglos, los científicos han ahondado profundamente en la naturaleza de los metales. Y en su búsqueda han encontrado que todos los metales tienen propiedades parecidas. En primer lugar, todo metal es maleable y dúctil con capacidad de cambiar de forma sin romperse. Otra propiedad secular es la del brillo, el grado con el que un metal luminoso refleja la luz. Durante mucho tiempo fue así. Pero en el siglo XVIII los científicos descubrieron otra propiedad común a todos los metales. Hoy se llama conductividad, la capacidad de conducir electricidad.
[10:23]En un aislante, la carga eléctrica permanece donde está.
[10:32]Pero en un metal se extiende instantáneamente, es decir, el metal conduce electricidad. En un nivel más profundo esto es lo que sucede. Se puede considerar cada átomo de un metal como un ion positivo con uno o dos electrones exteriores débilmente ligados. Cuando dos átomos metálicos están muy próximos, los electrones más exteriores pueden pasar fácilmente de uno al siguiente. A medida que se agregan más átomos, los electrones pueden moverse a grandes distancias.
[11:10]Esos electrones móviles son conocidos como electrones de conducción y dan a los metales sus propiedades especiales. De esa manera, todos los metales son conductores eléctricos, porque todo metal es como una molécula gigante en la que un número de electrones están compartidos por igual entre todos los átomos.
[11:45]Si se coloca una carga positiva cerca de un metal, atraerá a los electrones móviles cargados negativamente hacia sí, haciéndolos acumularse en la superficie más cercana.
[12:00]El resultado es que quedan iones positivos netos no equilibrados por electrones en la superficie más alejada.
[12:12]Cuanto más se acerca una carga eléctrica a un metal, mayor será la carga de signo contrario que se formará en la superficie cercana, y mayor será la carga del mismo signo que quedará en el resto de la superficie. Y ahora una cajita sorprendente, pero no quiero que puedan pensar que está trucada. Estas propiedades se utilizan en un instrumento científico que puede parecer mágico. Se llama electroscopio de panes de oro. Ahora verán. Cuando una carga eléctrica se lleva cerca del disco de metal, la laminilla de oro se mueve alejándose de la varilla. Abajo.
[12:51]Flota. Una carga positiva cerca de la parte superior atrae cargas negativas. Dejando carga positiva en el otro extremo de la varilla metálica y la laminilla de oro queda con el mismo tipo de carga. Y por supuesto, al tener el mismo tipo de carga, la varilla repele a la laminilla de oro.
[13:14]Cuando se quita la vara, la laminilla cae de nuevo hacia abajo, a menos que la carga se transfiera al disco mediante contacto físico. Abajo. Flota. Quieta. El contacto físico deja la varilla y a la laminilla de oro con un exceso neto de carga y la laminilla permanece levantada.
[13:38]Pero vuelve a caer de nuevo con un roce de la mano. Abajo.
[13:44]Flota, quieta. La mano, que es ella misma un conductor, conecta la columna a la caja del electroscopio. Dónde ha ido a parar esa carga extra?
[14:02]La caja del electroscopio está en contacto con la tierra, que es una gran conductora en sí misma. Cuando se hace contacto, el electroscopio, como cualquier otro conductor, comparte su carga liberando la mayor parte hacia el cuerpo más grande. Aunque en realidad, solo los electrones negativos fluyen de un lugar a otro, el efecto es exactamente igual que si fluyera carga positiva en la dirección opuesta. A esto se llama poner a tierra un conductor eléctrico o simplemente hacer masa. Y para todos los fines prácticos, cuando esto sucede, el conductor se pone eléctricamente neutro.
[14:49]Gracias. Si este es el caso, ¿cómo puede algo llegar a cargarse en primer lugar? Una forma es por fricción, lo que no sorprenda a nadie que haya caminado sobre una alfombra seca y haya recibido una descarga. Pero hay medios más efectivos para cargar por fricción.
[15:09]He desarrollado una carga estática de modo que el papel se adhiere a ella como por magia.
[15:19]En el siglo XVIII, los electricistas inventaron máquinas que acumulaban la carga eléctrica mediante la frotación de un aislante, tal como el vidrio que gire. Y ahora una cosita que encontrarán electrizante. Es una cortesía de mi buen amigo el señor Van de Graaff. Démosle un poco de energía. En el siglo XX, Robert Van de Graaff utilizó el mismo principio. Las cargas permanecen quietas en la superficie de un aislante para subir en una nueva vuelta. Aquí abajo, una transportadora lleva la carga hacia arriba hasta la parte superior de la máquina, donde la carga es transferida al interior de la cúpula del metal.
[16:09]Cómo el metal es conductor, la carga se difunde y mediante ese proceso aumenta hasta que escapa en forma de una chispa y hace su viaje de vuelta hasta su antiguo hogar, la tierra.
[16:29]Pero la máquina de Van de Graaff tenía muchas más posibilidades que el mero truco de encender el interés del auditorio de un cabaret. De hecho, su característica principal, transferir carga eléctrica por la correa transportadora, es el principio de uno de los más importantes dispositivos de un moderno laboratorio de física nuclear. Esta robusta cámara amarilla, conteniendo gas a alta presión, está diseñada precisamente para evitar que salten chispas.
[17:03]En el interior y sin poder descargarse en forma de chispas, la correa transportadora acumula una enorme carga positiva en el terminal principal, en el centro. Mientras tanto, un ion cargado negativamente, en este caso, un átomo de carbono con un electrón adicional, está siendo preparado para realizar un viaje extraordinario. Se pone en movimiento a causa de otras cargas negativas.
[17:33]Guiado por un campo magnético da la vuelta a una esquina, y es conducido por el centro del tubo por otro campo magnético.
[17:44]Pronto siente la fuerza de atracción debida a la carga positiva del terminal central. Acelerado por la fuerza eléctrica entre el ion negativo y el terminal positivo, el ion corre a gran velocidad hacia adelante hasta que una colisión con átomos de gas provoca el desprendimiento de algunos electrones cambiando al ion de negativo a positivo.
[18:08]Nuevamente acelerado por la fuerza eléctrica, el ion continúa hacia su destino, que en este caso es una colisión nuclear, entre carbono y un blanco consistente en helio.
[18:28]Esta máquina extraordinaria se llama acelerador tándem de Van de Graaff, porque utiliza la enorme carga desarrollada por el generador de Van de Graaff no una vez, sino dos veces. Por supuesto, utilizar la carga positiva dos veces es una especie de truco, pero sigue siendo estrictamente ciencia, no magia. Y aunque las cintas transportadoras de Robert Van de Graaff son excelentes para acumular carga, la Madre Naturaleza siempre ha tenido en este sentido algunos trucos de su propia cosecha. Desde el principio de los tiempos, las tormentas eléctricas han llevado consigo una enorme acumulación y liberación de carga eléctrica. Los científicos creen que el mecanismo lleva consigo fricción entre partículas de hielo en las nubes.
[19:24]Pero la fricción no es el único modo por el cual se puede transferir carga. Pero si cargo el soporte, esta placa de metal parece cargarse con solo tocarla. Notarán una reacción increíble.
[19:37]No es magia, pero hay un truco en ello.
[19:44]Si se acerca una carga positiva a un metal, la carga negativa se precipitará hacia ella y la carga positiva se queda detrás en el otro lado.
[19:57]Entonces, si el metal es puesto a tierra momentáneamente, la carga fluye entre el metal y la tierra, dejando al metal cargado negativamente cuando se interrumpe el contacto.
[20:10]Pero si cargo el soporte, notarán una reacción increíble. Ese principio recibe el nombre de carga por inducción, y puede parecer pura magia a un auditorio que no se dé cuenta de que existen cargas eléctricas atrapadas dentro de la lámina de plástico. Ese es el motivo por el que la placa de metal parece haber sido cargada con solo tocarla.
[20:46]Esta fascinante máquina, que no es la máquina del tiempo de H.G. Wells, es conocida en cambio como el generador de Wimshurst. Una de las primeras diversas formas de generar electricidad. Observen atentamente. Esta llamativa máquina, inventada en 1880 por el ingeniero inglés James Wimshurst, presenta unos discos que giran en sentido opuesto y donde las lengüetas metálicas se cargan por inducción, cerrando y abriendo el contacto a través de unas escobillas de metal. Cuando las ruedas giran, la carga eléctrica se acumula hasta que un rayito libera la tensión creciente.
[21:24]Uno de los secretos del éxito de la máquina de Wimshurst es el dispositivo que utiliza para almacenar carga eléctrica. Es la botella de Leyden, llamada así por haber sido creada en la universidad del mismo nombre.
[21:44]El principio en que se basa esta botella es tan sencillo como el dispositivo mismo.
[22:02]Si el interior está cargado mientras que el exterior está conectado a tierra, el resultado neto es igual cantidad de carga de signo contrario en ambos lados del aislante. Y esas cargas opuestas son mantenidas firmemente en su lugar por la fuerza eléctrica entre ellas. La botella de Leyden fue uno de los mejores trucos de los electricistas del siglo XVIII, quienes eran frecuentemente actores consumados. Por supuesto, el ilusionista moderno tiene algunos trucos propios y estos ilustran sobre todo la gran diferencia entre la magia y la ciencia. El arte del ilusionista es confundir los sentidos y crear misterio, mientras que la tarea del científico es desarrollar los sentidos y resolver los misterios. Una cabellera.
[22:52]Si esto les ha decepcionado, tal vez pueda transformarlo en el conejo que están ustedes esperando.
[23:04]Ambos tratan de entretener al menos, de la mejor manera que sean capaces. Ajá, damas y caballeros, un conejo vivo. Gracias.
[23:22]Yo quería mostrarles que la electricidad puede ser realmente útil. De manera que cuando esta amiga me dijo que quería cardarse el pelo, pensé que podría hacerlo con esta máquina de Van de Graaff. Tranquila, que esto no duele. Allá vamos. Observen lo que ocurre cuando yo giro esto.
[23:48]Se dan cuenta? Es verdad que la electricidad puede poner los pelos de punta. Además le sale barato, no le supondrá ninguna carga, ya les dije que cuando terminara, no habría carga alguna.
[24:05]Pero este es un generador electrostático de tipo diferente. Trabaja por inducción, cerrando y abriendo contactos. Su finalidad básica es una máquina de descarga. Su finalidad es emitir chispas. Voy a demostrárselo. Saben, creí que me darían un motor eléctrico para mover esta máquina, pero cuando leí la letra pequeña de mi contrato supe que tenía que mover la mano. Les mostraré cómo trabaja.
[24:36]Eso es. Es una máquina de producir rayos. Es bastante peligrosa, si yo la sujetara por un sitio incorrecto en un momento indebido, podrían perder un profesor. O como mínimo, aprenderían algunas palabras que no están en el programa. El físico holandés Van Marum hizo construir la máquina más grande de este tipo que jamás haya existido. Con mucha anterioridad a los trabajos de Wimshurst y de Van de Graaff en Holanda, Martinus Van Marum en las dos últimas décadas del siglo XVIII, experimentó con el generador electrostático más grande que haya sido construido. Fue fabricado para Van Marum por un fabricante de instrumentos, un inglés llamado John Cuthbertson. La máquina gigante de Van Marum utilizaba un grupo de 100 botellas de Leyden. Sus discos rotativos tenían más de 6 pies de diámetro y podían lanzar un rayo a una distancia de más de 2 pies de longitud, casi 70 cm. Era una especie de dinosaurio electrostático. El punto final de la evolución del generador electrostático del siglo XVIII. Y pocos años después se extinguió, porque en Italia, Alessandro Volta, había inventado un dispositivo que era más elegante y práctico. Algo que llevaría la electricidad a una nueva era, la pila eléctrica. Trataremos el tema de la pila eléctrica próximamente. Pero antes de eso me gustaría hablarles a ustedes de otra nueva idea. Esa idea es el campo eléctrico. Hablaremos de él el próximo día.
