Botella de Leyden: partes, funcionamiento, experimentos
La botella de Leyden se trata de una botella o jarra de vidrio delgado, la cual contiene en su parte interna una lámina metálica bien ajustada y en el exterior otra película de metal igualmente ceñida.
Es el primer dispositivo eléctrico en la historia que sirvió para almacenar cargas eléctricas simplemente tocándola, ya sea por la varilla o por la lámina exterior, con una barra previamente cargada por fricción (efecto triboeléctrico) o por inducción electrostática. También se puede usar una fuente de voltaje como una pila o batería.
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El invento de la botella de Leyden se le atribuye a Pieter van Musschenbroek, profesor de Física de la Universidad de Leyden en 1745. De forma independiente y simultánea, el inventor alemán Ewald Georg von Kleist también logró almacenar electricidad estática con botellas similares, anticipándose al holandés.
Musschenbroek tuvo la ayuda de un abogado llamado Cunaeus, a quien había invitado a su laboratorio en Leyden. Este sagaz personaje fue el primero en percatarse de que la carga se acumulaba sosteniendo el frasco con la mano mientras se carga la barra o aguja con la máquina electrostática.
Después de que el profesor Musschenbroek sorprendiera a todos con su invento, la siguiente mejora en la botella de Leyden, como finalmente quedó bautizado el dispositivo, se realizó en 1747 gracias a John Bevis, médico, investigador y por si fuera poco el astrónomo que descubrió la Nebulosa del Cangrejo.
Bevis observó que si cubría la botella en su parte externa con una lámina delgada, no había necesidad de sostenerla con la mano.
También se dio cuenta de que llenarla con agua o con alcohol no era necesario (la botella original de Musschenbroek estaba llena de líquido) y que solo se requería cubrir la pared interior del frasco con folio metálico en contacto con la varilla que atraviesa el corcho.
Experimentos posteriores revelaron que se acumulaba más carga en la medida que el vidrio fuese más delgado y la superficie de metal adyacente más extensa.
Las partes de una botella de Leyden se muestran en la figura 1. El vidrio hace de aislante o dieléctrico entre las placas, además de servir para darles el soporte necesario. Las placas suelen ser delgadas láminas de estaño, aluminio o cobre.
Para fabricar la tapa de la jarra también se usa un aislante, por ejemplo madera seca, plástico o vidrio. La tapa es traspasada por una varilla metálica de la que cuelga una cadena que sirve para hacer contacto eléctrico con la placa interna.
– Frasco de vidrio, siendo lo más delgado posible
– Lámina de metal (aluminio, estaño, cobre, plomo, plata, oro) para cubrir por separado, la parte interna y externa del frasco.
– Tapa de material aislante horadada.
– Varilla metálica para atravesar la tapa horadada y que en el extremo interior tenga una cadena o cable que haga contacto metálico con la lámina interior del frasco. El otro extremo de la varilla generalmente termina en esfera, para evitar arcos eléctricos por cargas acumuladas en las puntas.
Para explicar la acumulación de carga eléctrica es necesario comenzar por establecer la diferencia existente entre aislantes y conductores.
Los metales son conductores porque los electrones (portadores de carga negativa elemental) pueden moverse libremente dentro de los mismos. Lo cual no significa que el metal siempre esté cargado, de hecho permanece neutro cuando la cantidad de electrones iguala la de protones.
En cambio, los electrones en el interior de los aislantes carecen de la movilidad típica de los metales. Sin embargo, por frotación entre materiales aislantes diferentes puede ocurrir que los electrones de la superficie de uno de ellos pasen a la superficie del otro.
Volviendo a la botella de Leyden, en forma simplificada se trata de una lámina metálica separada por un aislante de otra lámina conductora. La figura 3 muestra un esquema.
Supongamos que la placa externa se conecta a tierra, ya sea sujetándola con la mano o mediante un cable. Cuando se le acerca una barra que fue cargada positivamente por frotación, la varilla que conecta con la placa interna queda polarizada. Esto lleva a una separación de cargas en el conjunto varilla-placa interna.
Los electrones de la placa exterior son atraídos por las cargas positivas de la placa opuesta y más electrones llegan a la placa exterior desde la conexión a tierra.
Cuando esta conexión se interrumpe, la placa queda cargada negativamente y cuando se separa la varilla, la placa interior queda cargada positivamente.
La botella de Leyden fue el primer condensador conocido. Un capacitor consta de dos placas metálicas separadas por un aislante y son bien conocidos en electricidad y electrónica como indispensables elementos de circuito.
El condensador más simple consta de dos placas planas de área A separadas una distancia d mucho menor que el tamaño de las placas.
La capacidad C para almacenar carga en un condensador de placas planas es proporcional al área A de las placas, e inversamente proporcional a la separación d entre las placas. La constante de proporcionalidad es la permitividad eléctricaε y se resumen en la siguiente expresión:
C = ε⋅A / d
El condensador formado por la botella de Leyden se puede aproximar por dos placas cilíndricas concéntricas de radios a interno y radio b para la placa exterior y altura L. La diferencia de los radios es justamente el espesor del vidrio d que es la separación entre las placas.
La capacidad C de un condensador de placas cilíndricas está dada por:
C =ε⋅2πL / ln(b/a)
Como se deduce de esta expresión, cuanto mayor la longitud L más capacidad tiene el dispositivo.
En el caso que el espesor o separación d sea mucho menor que el radio, entonces la capacidad puede ser aproximada por la expresión de las placas planas como sigue:
C ≈ ε⋅2πa L / d = ε⋅p L / d
En la expresión anterior p es el perímetro de la placa cilíndrica y L la altura.
Independiente de la forma, la carga máxima Q que puede acumular un condensador es proporcional al voltaje de carga V, siendo la capacidad C del condensador la constante de proporcionalidad.
Q = C⋅ V
Con unos materiales fáciles de conseguir en casa y algo de habilidad manual, se puede emular al profesor Musschenbroek y construir una botella de Leyden. Para ello se necesita:
– 1 frasco de vidrio o plástico, como los de mayonesa.
– 1 tapa aislante de plástico horadada por la que se hará pasar un alambre o cable rígido.
– Tiras rectangulares de papel aluminio de cocina para cubrir, pegar o adherir al interior y al exterior del frasco. Es importante que la cobertura de aluminio no llegue hasta el borde del frasco, puede ser un poco más arriba de la mitad.
– Un cable flexible sin aislante que se empalma a la parte interior de la varilla, de modo que haga contacto con el papel aluminio que recubre el interior de la pared del frasco.
– Esfera metálica (va encima de la tapa para evitar el efecto de puntas).
– Cable sin aislante que se enlazará a la lámina exterior de aluminio.
– Regla y tijeras.
– Cinta adhesiva.
Nota: Otra versión que evita el trabajo de colocar el papel aluminio en la parte interior consiste en llenar la botella o frasco con una solución de agua y sal, la cual hará las veces de placa interior.
Recubra la botella por dentro y por fuera con las tiras de papel de aluminio, de ser necesario se fijan con la cinta adhesiva, cuidando de no sobrepasar demasiado la mitad del frasco.
– Perfore cuidadosamente la tapa para hacer pasar el alambre o el cable de cobre sin cubierta aislante, para poner en contacto el papel de aluminio interior de la botella con el exterior, donde debe colocarse la esfera conductora justo por arriba de la tapa.
– Más cable sin aislante se usa para enlazar la cubierta externa y hacer una especie de asa. Todo el conjunto debe quedar parecido a lo que se muestra en las figuras 1 y 4.
Una vez construida la botella de Leyden puede experimentar con ella:
Si dispone de un televisor o monitor antiguo cuya pantalla sea de rayos catódicos puede usarla para cargar la botella. Para ello sujete la botella con una mano por la placa exterior, mientras acerca y toca a la pantalla el cable que conecta con la parte interior.
El cable atado a la parte externa debe acercarse al cable que viene de la parte interna de la botella. Note que se produce un chispazo, demostrando que la botella se ha cargado eléctricamente.
En caso de no poseer una pantalla adecuada puede cargar la botella de Leyden acercándola a un paño de lana que haya sacado recién de la secadora de ropa. Otra opción para la fuente de carga es tomar un trozo de tubo plástico (PVC) que previamente se ha lijado para quitar la grasa y barniz. Frote el tubo con una toalla de papel hasta que el mismo adquiera carga suficiente.
- Botella de Leyden. Recuperado de: es.wikipedia.org
- Electrical instruments. Leyden Jar. Recuperado de: Brittanica.com
- Endesa educa. Experimento: botella de Leyden. Recuperado de: youtube.com.
- Leyden Jar. Recuperado de: en.wikipedia.org.
- The Physics of the Leyden jar in “MacGyver”. Recuperado de: wired.com
- Tippens, P. Física: Conceptos y Aplicaciones. 516 – 523.