Campanas de Franklin

Las campanas de Franklin (también conocidas como campanas de relámpago) 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 usaron para demostraciones simples en lugar de investigación. Las campanas son una adaptación del primer dispositivo que convirtió la energía eléctrica en energía mecánica en forma de movimiento mecánico continuo: en este caso, el movimiento de un badajo de campana de ida y vuelta entre dos campanas con cargas opuestas. ^[1]

La investigación científica de los fenómenos del rayo 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 eran un problema grave para los edificios y las estructuras, causando daños y, a veces, incluso incendios. Franklin se propuso comprender la naturaleza de los rayos y encontrar formas de proteger a los edificios de sus efectos destructivos. ^[3] Comenzó sus investigaciones observando cómo los rayos afectaban a varios 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 los que tenían techos planos. También observó que los rayos parecían seguir caminos conductores, como varillas o cables de metal, y que estos caminos podían usarse 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 de metal, generalmente de cobre o aluminio, que se monta en el techo de un edificio y se conecta a tierra mediante un cable conductor. Cuando cae un rayo, la varilla proporciona un camino de menor resistencia para la carga eléctrica, lo que permite que sea conducida de forma segura hasta el suelo en lugar de atravesar el edificio y causar daños. La invención del pararrayos fue 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 de Franklin recibieron su nombre en honor a Benjamin Franklin, uno de los primeros en adoptarlas y que las utilizó durante su experimentación con la electricidad. ^{[2] : 143} Su predecesora fue inventada 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 los libros de texto de electricidad. Franklin hizo uso de la idea de Gordon conectando una campana a su pararrayos puntiagudo , unido a una chimenea, y una segunda campana al suelo. Uno de sus documentos contiene la siguiente descripción:

En septiembre de 1752, construí una barra de hierro para atraer los rayos hacia mi casa, con el fin de hacer algunos experimentos con ella, con dos campanas para avisar cuando la barra debía ser electrificada. Descubrí que las campanas sonaban a veces cuando no había relámpagos ni truenos, sino sólo una nube oscura sobre la barra; que a veces, después de un relámpago, se detenían de repente; y otras veces, cuando no habían sonado antes, después de un relámpago, de repente comenzaban a sonar; que la electricidad a veces era muy débil, de modo que cuando se obtenía una pequeña chispa, no se podía obtener otra hasta algún tiempo después; en otras ocasiones, las chispas se producían con extrema rapidez, y una vez tuve un flujo continuo de campana a campana, del tamaño de una pluma de cuervo. Incluso durante la misma ráfaga había variaciones considerables. ^[6]

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

La experimentación de Franklin con la campana fue fundamental 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 otras hipótesis.

Las campanas están formadas por un soporte de metal con un travesaño 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 de metal, pequeños péndulos, sobre hilos no conductores. Una cadena corta de metal 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 campana está conectada a tierra. Un ariete metálico está suspendido entre las dos campanas mediante un cable aislado. Las nubes cargadas negativamente antes de la tormenta eléctrica hacen que el pararrayos se cargue negativamente, y también hacen que la campana conectada a él se cargue negativamente. La bola de metal 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. Como la campana opuesta está cargada a la inversa, esto 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, quien estaba obsesionado con el estudio de los rayos, instándolo a perseguirlos.

El experimento de Benjamin Franklin con campanas y un pararrayos sigue siendo un ejemplo popular de fenómenos eléctricos en los tiempos modernos. El experimento ha sido adaptado y actualizado, y ahora se utiliza comúnmente en las aulas y en demostraciones para ilustrar una variedad de 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 de metal y cargar el pararrayos, los estudiantes pueden ver el flujo de cargas eléctricas a través de los cables y observar los efectos electromagnéticos resultantes que hacen que suenen las campanas. ^[5]

El experimento también se puede utilizar para ilustrar las propiedades de la electricidad estática y cómo se puede conducir a través de cables metálicos para crear una corriente eléctrica. Al frotar un globo u otro objeto para crear una carga estática y luego usar la carga para activar las campanas, los estudiantes pueden ver los efectos de la electricidad estática y aprender cómo se puede aprovechar y utilizar. ^[5] La campana de Franklin es ahora una demostración de experimento eléctrico común en los cursos de física introductoria de la escuela secundaria y la universidad.

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

• Las campanas de luz de Ben Franklin (Instituto Franklin)
• Las campanas de Franklin (Las campanas de Gordon) (PV Scientific Instruments)
• Las "campanas de Franklin" y el transporte de carga como laboratorio de pregrado (American Journal of Physics)
• Las campanas de Franklin (Investigación sobre medios y cibernética)