Botella de Leyden ¿Cómo realizar este experimento?

¿Cómo estás? Espero que estés muy bien, sobre todo en estos tiempos tan difíciles que estamos viviendo. Me da gusto que este aquí nuevamente, con toda la energía de aprender todo sobre la botella de Leyden el cual es un tema fascinante.

Hoy viajaremos un poco al pasado, para que conozcas como surgió y de que trata un experimento que sentó las bases del componente más utilizados por el campo de la electricidad, electrónica e ingeniería en general: el capacitor. Este experimento es la famosa Botella de Leyden o Botella Leiden.

Los conocimientos que vas a obtener van desde la definición e historia hasta saber cómo realizar este experimento tú mismo. No te preocupes, como es costumbre, a continuación, te enseño todos los contenidos de esta lección.

Como puedes observar, este tema tiene muchos rincones que hoy exploraras y aprenderás. El objetivo es que al final puedas entender de manera teórica la Botella de Leyden, así como lograr que realices tú mismo este experimento, conociendo previamente los fundamentos matemáticos del experimento. Sin duda, será un viaje interesante y lleno de nuevos conocimientos para ti.

Sin más, ¡comencemos!

¿Qué es la botella de Leyden?

La botella de Leyden es uno de los artefactos experimentales más conocidos dentro del campo de la física y de la electrónica, ya que es el primer dispositivo que tuvo la capacidad de almacenar cargas eléctricas a través del contacto físico o también por inducción.

  • Esto es sumamente importante, ya que, este principio de funcionamiento posiciona a la botella de Leyden como el primer condensador eléctrico existente y funcional.

Este dispositivo, a pesar de su gran funcionamiento, tiene una estructura muy sencilla:

  • Consiste en una jarra de vidrio delgado, almacenando en su interior una ajustada lamina de metal.
  • Mientras que en el exterior tiene otra lamina metálica igualmente apretada.

Ahora que ya conoces de manera resumida que es y su importancia, naveguemos un poco a través de la historia de este dispositivo y cómo fue que surgió.

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Historia de la botella de Leyden

Este increíble dispositivo nace en el año 1745, a mano de Pieter Van Musschenbroek, profesor neerlandés de Física en la Universidad de Leyden. Sin embargo, el inventor Ewald Georg Von Kleist ya había logrado con anterioridad almacenar electricidad estática en botellas parecidas a las que realizaría Pieter.

La primera botella de Leyden consistió en una botella de vidrio con un tapón, el cual estaba atravesado por una varilla metálica que quedaba sumergida en agua. Esta varilla tenía la forma de esfera en la parte superior, ya que en este extremo se le debe cercar un material conductor cargado eléctricamente.

El invento del profesor Pieter sorprendió a propios y extraños, pero no fue hasta en el año 1974, donde el investigador y médico Jhon Bevis le hizo una mejora gigantesca a este nuevo invento. Bevis descubrió que era innecesario llenar la botella de vidrio con agua o alcohol, ya que esto se podía reemplazar si solo se cubría la pared interior del frasco con folio metálico, el cual debía estar en contacto con la varilla que se encuentra atravesando el tapón. Además, también descubrió que, si la parte externa de la botella de tapaba con una lámina delgada, no era necesario sostener la botella con la mano.

Posteriormente más experimentos se realizaron a este dispositivo, descubriéndose muchas mejoras en su funcionamiento. Se pudo descubrir, por ejemplo, que el líquido era reemplazable por hojas de estaño o que, dependiendo del grosor del vidrio y la extensión del metal adyacente, se podía acumular más o menos carga. La botella de Leyden se utilizaba sobre todo para la demostración del potencial que tenía la energía eléctrica al público y a los científicos, ya que las descargas que la botella podía realizar, eran capaces de asesinar animales pequeños.

Botella de Leyden Casera

Funcionamiento de la Botella de Leyden

Como te mencione anteriormente, este dispositivo tiene la capacidad de almacenar cargas eléctricas en su interior, lo que transforma a este dispositivo como el primer condensador creado. Recordemos que esta botella está constituida por una varilla metálica en contacto con hojas igualmente metálicas; estos dos componentes conforman la armadura interna, mientras que la capa de aluminio que cubre la botella es la armadura externa.

¿Qué función tiene la botella y el vidrio? Pues, comparándolo directamente con los capacitores, el vidrio funciona como un aislante o material dieléctrico.

Inclusive, gracias a este invento, se originó el nombre de “condensador”, ya que en el siglo XIX se comparaba la carga eléctrica con cualquier fluido, el cual podría guardarse gracias a la condensación de dicho fluido en algún recipiente o dispositivo adecuado.

En sus primeros años, dicha botella sirvió para almacenar energía y realizar las primeras baterías para sistemas mecánicos; y, además, como te mencioné anteriormente, se ocupaba para la demostración científica del poder de la electricidad. Ahora, este dispositivo se utiliza como experimento en los institutos, para explicar cómo se comporta un condensador y sus múltiples propiedades.

Fundamento matemático del experimento

El fundamento matemático de la botella de Leyden es el mismo fundamento que representa a un condensador, incluyendo los conceptos de materiales dieléctricos y el fenómeno de carga y descarga de electrones en placas paralelas. Veamos el fundamento matemático detrás de este dispositivo.

Como recordaras, un capacitor está constituido por dos placas de metal, separadas por un material dieléctrico o aislante; estos dos materiales son muy importantes para el efecto eléctrico del componente.

  • Las placas paralelas de una específica área (A) están separadas por una distancia (d) que es menor que el propio tamaño que las placas.
  • Dentro de los fundamentos de un capacitor, la capacidad para almacenar una carga (C) es proporcional al área de las placas, e inversamente proporcional a la distancia (d) entre las placas.

Esta relación viene acompañada de una permitividad eléctrica (ε). Esto se puede representar con la siguiente fórmula matemática:

Capacitancia en un capacitor

Sin embargo, en la botella de Lyden no se aplica como tal la expresión anterior, sino que se acerca más a un condensador con placas cilíndricas concéntricas de dos radios: uno interno (a) y otro para el radio externo (b), además de una altura (L). En el siguiente dibujo lo podrás visualizar mejor.

Botella de Leyden en forma de cilindro

De forma característica, la dirección del campo es radial, además de perpendicular al eje cilíndrico. La capacidad de un condensador de placas cilíndricas se expresa de la siguiente manera:

Formula de la capacitancia para condensadores de placas cilindricas

En esta expresión:

  • Cuanto mayor sea la longitud (L), más capacidad tiene el dispositivo.
  • No obstante, en la botella de Leyden la separación (d) es mucho menor que el radio, por lo que se aplica una expresión totalmente distinta:
Formula de la capacitancia de la botella de Leyden
  • Ya en esta expresión que representa la capacidad en la botella de Leyden, se agrega el perímetro de la placa cilíndrica (p) y se sigue manteniendo la altura (L).
  • Respecto a la carga máxima (Q) que puede acumular la botella, se representa de igual forma que en los capacitores normales: es proporcional a la tensión de carga (V), con la capacidad (C) como constante de proporcionalidad.

La fórmula matemática es la siguiente:

Formula de la carga almacenada en un capacitor

Como puedes observar, la botella de Leyden comparte los mismos fundamentos matemáticos con los capacitores de hoy en día a pesar de tener siglos de diferencia. Con esto queda muy claro la importancia que tiene este artefacto en la actualidad.

¿Cómo crear una Botella de Leyden?

Me han dicho por ahí que te interesa realizar tu propia botella de Leyden, así que déjame decirte que hemos llegado al apartado ideal para que lo aprendas y veas por tu cuenta cómo funciona este maravilloso dispositivo.

⚠️ NOTA: Este post es para fines informativos y no se considera una clase de laboratorio, si deseas llevar acabo el experimento, por favor, realizarlo en compañía de una persona experimentada en la materia para evitar cualquier tipo de incidente.

Vamos a ir paso a paso, y lo primero que tienes que saber son los materiales necesarios para realizar este experimento, y dichos materiales son los siguientes:

  • Una botella de cristal (entre más delgado sea el vidrio, mejor). Podría funcionar muy bien los frascos de mayonesa, por ejemplo.
  • Una lámina de aluminio.
  • Cinta adhesiva.
  • Una película fotográfica.
  • Un tornillo.
  • Un alambre de cobre.
  • Un cable de varios hilos.
  • Tubo de PVC.

Pasos:

  1. Corta un trozo de lámina de aluminio, y en conjunto con el rollo de película fotográfica, envuelve el frasco. La lamina y el rollo fotográfico deben estar en contacto. Puedes colocarlas con ayuda de un poco de cinta adhesiva.
  2. En el interior del frasco coloca otro trozo de lámina de aluminio.
  3. Perfora la tapa de la botella, introduciendo un tornillo en esta y asegurándolo por dentro de la botella con un trozo de alambre de cobre. Es importante que este alambre toque la lámina que se ha colocado dentro de la botella con ayuda de un pedazo de cable.
  4. Sujeta el alambre en la parte superior del tronillo, para realizar el cepillo de colección.
  5. Frota el tubo PVC con una franela o un trozo de tela, esto es con el objetivo de generar electricidad estática y realizar un generador para nuestra botella.

Como te mencioné anteriormente, la botella de Leyden tiene la función de almacenar cargas, tal como un capacitor. Esto es posible gracias a su construcción y estructura, ya que tiene 2 capas en paralelo (lamina de aluminio y la película fotográfica) en conjunto con un material dieléctrico como lo es el cristal o vidrio, el cual disminuye el campo eléctrico que se presenta.

En su interior se presenta un conductor, que en este caso es la lámina de aluminio. Por último, el alambre conductor que se comunica tanto en el interior de la botella como en el exterior, cumple con una función muy importante: la descarga de la botella de Leyden, la cual entrega como resultado una corriente continua por intervalos de tiempo específicos. Incluso, si se realiza correctamente la descarga, podrás presenciar una chispa azul entre el tornillo y el aluminio.

Botella de Leyden Casera

Aplicaciones de la Botella de Leyden

Gracias a su evolución a través del tiempo resultado de múltiples experimentos, la botella de Leyden sirvió mucho tiempo para almacenar cargas eléctricas, aplicándose en sistemas mecánicos simples como pequeñas baterías.

Una de las aplicaciones más famosas que tuvo dicha botella, fue en la máquina de Wimshurst, la cual era un generador electrostático creado por James Wimshurts en 1883. Este generador era capaz de proporcionar altos voltajes, por lo que era necesaria la adición de dos botellas Leyden para aumentar la chispa de energía acumulada en la máquina, ya que son ideales para altas tensiones. Al buscar en otras fuentes, podrás encontrar imágenes de esta máquina utilizando dos botellas de Leyden.

En la actualidad, la botella de Leyden es un dispositivo legendario, ya que fue la perfecta referencia para la construcción de todos los capacitores que conocemos, los cuales, al igual que la botella de Leyden en su momento, fueron perfeccionados poco a poco, llegando a ser cada vez más diminutos y eficientes.

Si has llegado hasta aquí, ¡felicidades! Hemos acabado esta gran lección sobre la botella de Leyden, en la cual exploramos diversas características y fundamentos de este increíble dispositivo. Además, ya eres capaz de realizar tu propia botella para que veas tú mismo el gran fenómeno del almacenamiento de cargas, e incluso entiendas mucho mejor como trabajan los capacitores actualmente.

¿Cuál fue la importancia de aprender sobre la botella de Leyden? Pues todo sigue radicando en los capacitores; conociendo como empezaron y navegar un poco en la historia de estos componentes tan importantes en la tecnología de hoy en día, podrás dominar por completo el tema de los condensadores y sus propiedades.

Me voy, pero no sin antes dejarte algunos puntos importantes que vale la pena que recuerdes en esta racha final sobre el primer capacitor conocido. ¡Vamos!

  • La botella de Leyden es un dispositivo capaz de almacenar cargas eléctricas por medio de una botella de vidrio o platico y materiales conductores
  • Fue creada por el profesor Pieter Van Musschenbroek en 1745. Siglos después, el medico e investigador Jhon Bevis le hizo una mejora importante: utilizar metales conductores en el interior de la botella en vez de líquidos, como el agua o el alcohol.
  • El fundamento matemático es igual que la de los condensadores de hoy en día, con la diferencia de que se calcula la capacidad de carga tomando en cuenta las placas cilíndricas de la botella.
  • Hacer la botella de Leyden es muy seguro, puedes intentarlo para que puedas observar el fenómeno de carga y descarga de la botella.
  • La botella en su tiempo se utilizó para almacenar cargas eléctricas y utilizar las botellas como pequeñas baterías para sistemas simples. También tuvo fuerte aplicación en la máquina de Wimshurts, el cual es un generador electroestático.

Sin más, espero de corazón que hayas aprendido mucho y que te haya gustado esta lección. No olvides dejar de aprender.

¡Hasta la próxima, viajero/a!

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Juan Carlos G.

Electrónica y desarrollo de software


Estudie Electrónica en la UNAM y me encanta hablar y publicar estos temas para ayudar a los demás a comprender ciertos temas que muchas veces son complicados de entender. Espero que este blog, el cual lo he dedicado a hablar de los Capacitores y productos relacionados a este componente, te sea de gran ayuda, amigo o amiga electrónica.

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