II. LA ELECTRICIDAD HASTA EL A�O 1800

DESDE tiempos inmemoriales el hombre se dio cuenta de que despu�s de frotar con pa�o un tipo de resina llamada �mbar, �sta adquir�a la capacidad de atraer algunos objetos ligeros, como trozos de papel. La historia registra a Tales de Mileto, fil�sofo y matem�tico griego, que vivi� hace unos 2 600 a�os, como el primero que hizo experimentos de esta naturaleza, aunque es bastante probable que desde antes se conociese este tipo de fen�meno. En griego, �mbar se dice elektron y de esta palabra se deriva electricidad. Durante muchos siglos este tipo de experiencias no fueron sino meras curiosidades.

Hacia principios del siglo XVIII se inici� la investigaci�n detallada de los fen�menos el�ctricos. Entre 1729 y 1736 dos cient�ficos ingleses, Stephen Gray (1696-1736) y Jean Desaguliers (1683-1744) dieron a conocer los resultados de una serie de experimentos el�ctricos muy cuidadosos. Encontraron que si un�an por medio de un alambre met�lico un tubo de vidrio previamente frotado con un trozo de corcho, �ste se electrificaba. Comprobaron que el corcho se electrificaba ya que al acercarle trozos de papel �stos eran atra�dos por �l. Este fen�meno persist�a aun si el vidrio y el corcho se separaban a distancias de 300 metros. Si en lugar de efectuar la uni�n con un alambre met�lico empleaban un hilo de seda, el corcho no se electrificaba. Adem�s descubrieron que si la l�nea de transmisi�n hac�a contacto con el suelo, o sea con la tierra, el corcho dejaba de electrificarse.

Con todos estos experimentos llegaron a la conclusi�n de que la electrificaci�n era un efecto que se presentaba en la superficie de los cuerpos, en donde aparec�a lo que llamaron una "virtud" o "fluido" el�ctrico al que en la actualidad se le llama carga el�ctrica. Encontraron que la carga el�ctrica pod�a moverse libremente de un cuerpo a otro a trav�s de ciertos materiales que llamaron conductores (el cuerpo humano, los metales, el aire h�medo, etc.). Tambi�n existen materiales que no conducen electricidad, a los que se llama aisladores o no-conductores (la madera, la seda, la cer�mica, etc�tera).

Un cient�fico franc�s, Fran�ois du Fay (1698-1739), hizo otro tipo de experimentos que report� entre 1733 y 1734. Frot� con tela de seda dos tubos de vidrio iguales. Al acercar los tubos vio que siempre se repel�an. As� concluy� que dos materiales id�nticos se repelan cuando se electrifican en formas id�nticas. Como cada uno de los tubos adquiere el mismo tipo de carga se puede afirmar que cargas iguales se repelen.

El mismo Fran�ois du Fay hizo muchos otros experimentos con diferentes materiales y lleg� a la conclusi�n de que existen dos tipos de electricidad; a una la llam� vitrosa (la que aparece cuando se frota con seda el vidrio) y a la otra resinosa (la que aparece cuando se frota al hule con piel).

Durante la siguiente d�cada, Benjam�n Franklin (1706-1790)) realiz� estos mismos descubrimientos en Estados Unidos, sin conocer los trabajos del franc�s. Seg�n �l, el vidrio electrificado hab�a adquirido un exceso de fluido (carga) el�ctrico, y le llam� a este estado positivo. Al estado de la seda con la que frot� el vidrio lo llam� negativo, pues consideraba que hab�a tenido una deficiencia de fluido (carga) el�ctrico. Esta terminolog�a de Franklin es la que se utiliza hasta hoy en d�a, aunque no se acepten las ideas con que la concibi� este cient�fico.

En resumen, existen en la naturaleza dos tipos de cargas el�ctricas: positiva y negativa. Adem�s, se puede concluir de una multitud de resultados experimentales que dos cargas el�ctricas del mismo tipo (negativa-negativa o positiva-positiva) se repelen, mientras que dos cargas de tipos distintos (positiva-negativa) se atraen.

No fue sino hasta fines del siglo XVIII, en 1785, que el ingeniero militar franc�s Charles Auguste Coulomb (l736-1806) pudo medir con bastante precisi�n las caracter�sticas de las fuerzas entre part�culas el�ctricamente cargadas. Para ello utiliz� un p�ndulo de torsi�n (Figura 1) que consiste en una barra AB que est� sujeta por medio de un alambre vertical. Cuando uno de los extremos experimenta una fuerza, la barra gira y hace que el alambre se tuerza. Midiendo el �ngulo que gira el alambre se puede determinar la magnitud de la fuerza que experiment� el extremo de la barra. Coulomb coloc� en el extremo A de su p�ndulo una carga y acerc� otra carga C. Cambiando los valores de las cargas y manteniendo la distancia entre A y C fija, encontr� que mientras m�s grande es cada una de las cargas, mayor es la magnitud de la fuerza entre ellas (ya sea de atracci�n si las cargas son opuestas, o de repulsi�n si son iguales). De hecho, si una de las cargas aumenta al doble, la fuerza aumenta al doble, si la carga aumenta al triple, la fuerza aumenta al triple y as� sucesivamente. Adem�s, mientras m�s separadas est�n las cargas, menor ser� la fuerza. As� si la distancia entre A y C aumenta al doble, la fuerza disminuye a la cuarta parte; si la distancia aumenta al triple, la fuerza disminuye a la novena parte, etc. Este conjunto de resultados recibe el nombre de ley de Coulomb.

Figura 1. Aparato dise�ado por Coulomb para medir la fuerza entre cargas el�ctricas.

Regresemos al a�o de 1663, cuando Otto von Guericke (1602-1686) de Magdeburgo, Alemania, construy� el primer generador de electricidad. Este aparato produc�a cargas el�ctricas por medio de fricci�n. Sobre un armaz�n de madera Von Guericke mont� una esfera de azufre sobre un eje. Mientras con una mano hac�a girar la esfera, con la otra la presionaba. As� obten�a cargas el�ctricas sobre la esfera, que atra�an diversos objetos cercanos. El funcionamiento de esta m�quina estaba basado en el experimento arriba descrito en que se frotaba una sustancia con otra. El famoso cient�fico ingl�s Isaac Newton (1642-1727) propuso usar una esfera de vidrio en lugar de una de azufre. Al transcurrir los a�os se dise�aron diferentes variantes, gracias a lo cual se construyeron m�quinas cada vez con mayor capacidad de producir carga el�ctrica.

As�, en las primeras d�cadas del siglo XVIII ya exist�an m�quinas que produc�an cargas el�ctricas por medio de fricci�n. Funcionaban esencialmente a base de discos que se hac�an girar por medio de manivelas. Al girar se friccionaban con otra superficie y se cargaban, de la misma forma en que un trozo de vidrio se carga al frotarlo con un pa�o. Estas m�quinas produc�an cantidades respetables de carga el�ctrica y al acercarlas a otras superficies se produc�an chispas. Era muy frecuente encontrar estas m�quinas en salones de juegos, pues hac�an que los cabellos de las se�oras se pusieran de punta al ser atra�dos por las cargas generadas.

Hacia 1746 Pieter van Musschenbroek, en Leiden, Holanda, construy� el primer dispositivo para almacenar cargas el�ctricas. Se trataba de una botella de vidrio que estaba recubierta, tanto en sus paredes interiores como exteriores, de una capa muy delgada de esta�o. En esta famosa botella de Leiden se pudieron almacenar considerables cantidades de carga el�ctrica, producidas por las m�quinas de fricci�n. Posteriormente se dise�aron otros dispositivos m�s pr�cticos y c�modos para almacenar carga el�ctrica, a los cuales se llam� condensadores.

Hacia mediados del siglo XVIII, mientras efectuaba algunos experimentos, Benjam�n Franklin se dio cuenta de que durante las tormentas hab�a efectos el�ctricos en la atm�sfera, y descubri� que los rayos eran descargas el�ctricas que part�an de las nubes. Franklin logr� juntar cargas el�ctricas de la atm�sfera por medio de varillas muy picudas. A la larga, esto dio lugar a la invenci�n del pararrayos, que consist�a en una varilla met�lica picuda conectada a la tierra; las cargas el�ctricas del rayo eran atra�das a la varilla y conducidas a la tierra. Con esto se evitaba que un rayo cayera sobre una casa, pues era conducido a tierra sin causar ning�n da�o. Posiblemente �sta fue la primera aplicaci�n pr�ctica de la investigaci�n cient�fica de la electricidad.

Por otro lado, hacia la �ltima parte del siglo XVIII un gran n�mero de personas emple� animales para estudiar las descargas el�ctricas y utiliz� como fuentes m�quinas generadoras y botellas de Leiden. Una de estas personas fue Luigi Galvani (1737-1798), profesor de anatom�a en la Universidad de Bolonia, Italia. Sus disc�pulos se dieron cuenta de que cuando se sacaban chispas de un generador y se tocaban simult�neamente las patas de una rana con un bistur�, �stas se contra�an. Galvani estudi� con m�s detalle este curioso fen�meno. En primer lugar, uni� una extremidad de la rana a un pararrayos y la otra la fij� a tierra por medio de un alambre met�lico. Descubri� que los m�sculos se estremec�an cuando hab�a tormenta, pues las cargas que recog�a el pararrayos se transportaban a trav�s del m�sculo hasta la tierra. La conexi�n la realiz� de la siguiente manera: en un extremo de la pata conect� un alambre de cobre, mientras que en el otro extremo conect� uno de hierro (Figura 2). En cierto momento, y de manera accidental, junt� los alambres y se dio cuenta de que la pata se contra�a. De sus experiencias anteriores sab�a que esta contracci�n ocurr�a solamente cuando una carga el�ctrica pasaba por la pata, pero �no hab�a conectado ning�n extremo a ninguna fuente de carga el�ctrica! As� lleg� a la conclusi�n de que si se formaba un circuito cerrado entre dos metales que pasara por la pata, se generaba una corriente el�ctrica que circulaba por el circuito. Sin embargo, Galvani no estaba en lo cierto, ya que crey� que la fuente de la electricidad estaba en lo que llam� "electricidad animal". Galvani se dedic� a hacer experimentos con diferentes animales creyendo que hab�a descubierto y confirmado la veracidad de la electricidad animal. Con el tiempo se comprob� que sus hip�tesis no eran correctas.

Figura 2. Si los metales hierro y cobre se unen, el anca de la rana se contrae debido al paso de una corriente el�ctrica.

Alejandro Volta (1745-1827), profesor de la Universidad de Pavia, Italia, se enter� de los experimentos de Galvani y los volvi� a hacer, usando lo que llam� ranas "galvanizadas". Sin embargo, no acept� la explicaci�n de Galvani. Volta se dio cuenta de que para lograr el efecto descubierto por Galvani se necesitaba cobre, hierro y el l�quido del tejido muscular. Hizo una serie de experimentos muy cuidadosos, utilizando alambres de diferentes materiales; as� descubri� que si usaba esta�o y cobre lograba una corriente relativamente fuerte, mientras que si usaba hierro y plata el efecto era poco intenso. Siguiendo esta l�nea de pensamiento dej� de usar ranas y puso su propia lengua entre los metales, logrando el mismo efecto; en seguida prob� con diferentes l�quidos entre los metales y siempre encontr� el mismo efecto. El caso m�s satisfactorio fue cuando us� placas de zinc y cobre en un �cido l�quido (Figura 3). De esta manera lleg� a la conclusi�n de que el efecto descubierto por Galvani no ten�a nada que ver con la "electricidad animal" sino que se deb�a a una acci�n qu�mica entre el l�quido, llamado electrolito, y los dos metales. Es as� como Volta construy� lo que posteriormente se llam� una pila voltaica, que fue el primer dispositivo electroqu�mico que sirvi� como fuente de electricidad.

Figura 3. Esquema de una de las primeras bater�as el�ctricas de Volta.

Entre los extremos de los metales, fuera del electrolito, se genera una diferencia de potencial, o voltaje, que puede dar lugar a una corriente el�ctrica. En la pila de la figura 3 el zinc adquiere carga negativa, mientras que el cobre adquiere cargas positivas. Al zinc se le llama c�todo y el cobre recibe el nombre de �nodo. As� se tiene una fuente de electricidad distinta a la generada por fricci�n. Con este medio qu�mico para obtener electricidad se abrieron nuevas posibilidades de aplicaci�n pr�ctica y experimental.

La explicaci�n de las reacciones qu�micas que ocurren en la pila o celda voltaica se dio muchos a�os despu�s, ya que en la �poca de Volta la qu�mica apenas empezaba a desarrollarse como ciencia moderna. Solamente diremos que, por un lado, el zinc adquiere un exceso de electrones, mientras que por el otro, el �cido con el cobre da lugar a cargas el�ctricas positivas. Al unir el cobre con el zinc por medio de un alambre conductor, los electrones del zinc se mueven a trav�s del alambre, atra�dos por las cargas del cobre y al llegar a ellas se les unen formando hidr�geno.

Desde entonces se han construido diferentes tipos de pilas o bater�as. Un avance importante fue la pila con el electrolito s�lido, o sea, la llamada pila seca, como las que usamos hoy en d�a en los aparatos el�ctricos port�tiles.

El descubrimiento de Volta se expandi� como reguero de p�lvora. Muy pronto en muchos pa�ses europeos se construyeron pilas voltaicas de diferentes tipos, que fueron un acicate para los estudios de las propiedades y efectos electroqu�micos, t�rmicos, magn�ticos, etc., de la electricidad.

Volta recibi� en vida muchos premios y agasajos. En 1881 el Congreso Internacional de Electricistas decidi� honrarlo dando su nombre a la unidad de diferencia de potencial: el volt, a la que se suele tambi�n llamar de manera m�s familiar, voltaje.

La posibilidad pr�ctica de construir pilas voltaicas produjo una revoluci�n en el estudio de la electricidad. Hemos de mencionar que en muchos laboratorios era muy poco factible construir las m�quinas de electricidad por fricci�n, ya que eran bastante caras; sin embargo, las pilas eran relativamente baratas. Permitieron el avance de la ciencia qu�mica ya que estaban al alcance de muchos laboratorios; de otra manera no se hubieran podido realizar muchas investigaciones cient�ficas. Gran parte de los primeros descubrimientos electroqu�micos fueron hechos precisamente con pilas voltaicas. Poco despu�s de haber recibido una carta de Volta en la que explicaba c�mo construir una pila, William Nicholson (1753-1825) y Anthony Carlisle (1768- 1840) construyeron en Londres uno de estos dispositivos, y con el fin de conseguir una mejor conexi�n el�ctrica, conectaron cada una de las terminales de la pila a un recipiente con agua. Se dieron cuenta de que en una de las terminales aparec�a hidr�geno y en la otra, ox�geno. Fue as� como descubrieron el fen�meno de la electr�lisis, en el que, por medio de una corriente el�ctrica, se separan los �tomos que componen la mol�cula del agua. Humphry Davy (1778-1829), tambi�n en Inglaterra, descompuso por medio de la electr�lisis otras sustancias, y as� descubri� los metales sodio y potasio al descomponer electroqu�micamente diferentes sales minerales, como la potasa c�ustica, la soda fundida, etc. Tambi�n obtuvo electroqu�micamente los elementos bario, calcio, magnesio y estroncio. Poco despu�s Faraday descubri�, tambi�n con las pilas voltaicas, las leyes de la electr�lisis.