campanas de Franklin

Las campanas de Franklin (también conocidas como campanas de rayo) son una demostración temprana de carga eléctrica diseñada para funcionar con una botella de Leyden o un pararrayos . Las campanas de Franklin son solo un indicador cualitativo de carga eléctrica y se usaban para demostraciones sencillas más que para investigación. Son una adaptación del primer dispositivo que convertía la energía eléctrica en energía mecánica en forma de movimiento mecánico continuo: en este caso, el movimiento de un badajo de campana de un lado a otro entre dos campanas con cargas opuestas. ^{[ 1 ]}

La investigación científica del fenómeno de los rayos se origina con Benjamin Franklin . Acumuló evidencia analógica que favorecía la suposición de que el rayo debía ser una descarga eléctrica a gran escala. ^{[ 2 ] : 148} A mediados del siglo XVIII, los rayos representaban un grave problema para los edificios y estructuras, causando daños e incluso incendios. Franklin se propuso comprender la naturaleza del rayo y encontrar maneras de proteger los edificios de sus efectos destructivos. ^{[ 3 ]} Inició sus investigaciones observando cómo los rayos afectaban a diversos tipos de edificios. Notó que algunos edificios eran más vulnerables a los rayos que otros y que los edificios con techos puntiagudos tenían más probabilidades de ser alcanzados que aquellos con techos planos. También observó que los rayos parecían seguir caminos conductores, como varillas o cables metálicos, y que estos caminos podían utilizarse para desviar los rayos lejos de los edificios. ^{[ 4 ]}

Basándose en estas observaciones, Franklin desarrolló la idea del pararrayos . El pararrayos consiste en una varilla o conductor metálico, generalmente de cobre o aluminio, que se instala en el tejado de un edificio y se conecta a tierra mediante un cable conductor. Cuando cae un rayo, la varilla proporciona un camino de mínima resistencia para la carga eléctrica, permitiendo que se conduzca de forma segura a tierra en lugar de atravesar el edificio y causar daños. La invención del pararrayos supuso un avance significativo en el campo de la ingeniería eléctrica y ha salvado innumerables edificios y vidas de los efectos destructivos de los rayos. ^{[ 4 ]}

Las campanas Franklin recibieron su nombre en honor a Benjamin Franklin, uno de los primeros en adoptarlas, quien las utilizó durante sus experimentos con la electricidad. ^{[ 2 ] : 143} Su predecesor fue inventado por el inventor escocés Andrew Gordon , profesor de Filosofía Natural en la Universidad de Erfurt , Alemania . ^{[ 5 ]} En 1742 inventó un dispositivo conocido como las "campanas eléctricas", que fue ampliamente descrito en libros de texto sobre electricidad. Franklin utilizó la idea de Gordon conectando una campana a su pararrayos puntiagudo , sujeto a una chimenea, y una segunda campana al suelo. Uno de sus documentos contiene la siguiente descripción:

En septiembre de 1752, instalé una varilla de hierro para atraer los rayos hacia mi casa y realizar algunos experimentos, con dos campanas que avisaban cuando la varilla se electrificaba. Descubrí que las campanas sonaban a veces sin relámpagos ni truenos, solo con una nube oscura sobre la varilla; que a veces, tras un relámpago, dejaban de sonar repentinamente; y otras veces, cuando no habían sonado antes, después de un relámpago, comenzaban a sonar de repente; que la electricidad a veces era muy débil, de modo que cuando se obtenía una pequeña chispa, no se conseguía otra hasta pasado un tiempo; otras veces, las chispas se sucedían con extrema rapidez, y en una ocasión tuve un flujo continuo de chispas de campana a campana, del tamaño de una pluma de cuervo. Incluso durante la misma ráfaga se observaron variaciones considerables. ^{[ 6 ]}

Mediante este experimento, Franklin pudo demostrar que la electricidad se comporta como un fluido, fluyendo a través de materiales conductores y provocando efectos en su recorrido. El experimento de Franklin con las campanas y el pararrayos fue revolucionario en su época, ya que proporcionó una clara demostración de la naturaleza de la electricidad y sus propiedades, y sentó las bases para futuros experimentos y descubrimientos en este campo. ^{[ 7 ]}

Los experimentos de Franklin con el sistema de campanas fueron fundamentales para descubrir que la electricidad existe más allá de los rayos y las tormentas eléctricas. Las extrañas propiedades de las campanas intrigaron a Franklin y alimentaron nuevas hipótesis.

El conjunto de campanas consiste en un soporte metálico con una barra transversal, del que cuelgan tres campanas. Las dos campanas exteriores cuelgan de cadenas metálicas conductoras , mientras que la campana central cuelga de un hilo no conductor. En los espacios entre estas campanas cuelgan dos badajos metálicos, pequeños péndulos, de hilos no conductores. Una corta cadena metálica cuelga de la campana central.

El sistema de funcionamiento del reloj Franklin considera que la fuerza electrostática generada por un campo eléctrico se utiliza para mover los péndulos que golpean dos campanas metálicas. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Las campanas de Franklin utilizan una varilla metálica como pararrayos para atraer la corriente. Una campana está conectada al pararrayos y la otra a tierra. Un ariete metálico está suspendido entre las dos campanas mediante un cable aislado. Las nubes cargadas negativamente antes de la tormenta eléctrica cargan negativamente el pararrayos y también la campana conectada a él. La bola metálica es atraída y choca contra la campana completamente cargada. Cuando la bola golpea la primera campana, se cargará con el mismo potencial y, por lo tanto, será repelida nuevamente. Dado que la campana opuesta tiene carga inversa, también atraerá la bola hacia ella. Cuando la bola golpea la segunda campana, la carga se transfiere y el proceso se repite hasta que las cargas se equilibran nuevamente. ^{[ 10 ] [ 11 ]} Antes de la tormenta, el dispositivo sonaba para recordarle a Franklin, que había estado obsesionado con el estudio de los relámpagos, instándolo a perseguirlos.

El experimento de Benjamin Franklin con campanas y un pararrayos sigue siendo un ejemplo popular de fenómenos eléctricos en la actualidad. El experimento se ha adaptado y actualizado, y ahora se utiliza comúnmente en aulas y demostraciones para ilustrar diversos conceptos relacionados con la electricidad. ^{[ 1 ]}

Por ejemplo, el experimento puede utilizarse para demostrar el concepto de corriente eléctrica y cómo fluye a través de un conductor. Al conectar las campanas con cables metálicos y cargar el pararrayos, los estudiantes pueden observar el flujo de cargas eléctricas a través de los cables y los efectos electromagnéticos resultantes que hacen sonar las campanas. ^{[ 5 ]}

El experimento también puede utilizarse para ilustrar las propiedades de la electricidad estática y cómo se conduce a través de cables metálicos para generar una corriente eléctrica. Al frotar un globo u otro objeto para crear una carga estática y luego usarla para activar las campanas, los estudiantes pueden observar los efectos de la electricidad estática y aprender cómo aprovecharla. ^{[ 5 ]} La campana de Franklin es ahora una demostración común de experimentos eléctricos en cursos de física de bachillerato y de introducción a la universidad.

• El Oxford Electric Bell , un conjunto de campanas electrostáticas en la Universidad de Oxford, ha estado sonando ininterrumpidamente desde 1840.
• Sistema de predicción de rayos

• Las campanas relámpago de Ben Franklin (Instituto Franklin)
• Campanas de Franklin (Campanas de Gordon) Archivadas el 9 de agosto de 2013 en Wayback Machine (PV Scientific Instruments)
• Las "campanas de Franklin" y el transporte de carga como laboratorio para estudiantes de pregrado (Revista Americana de Física)
• Las campanas de Franklin (Medios de investigación y cibernética)