En el mundo antiguo ya se reconocían fenómenos que se asociaban entre si: el extraño comportamiento de la anguila eléctrica, los fuegos de San Telmo, formados en las tormentas y que aparecen como flamas, la chispa que se desprendía de algunos materiales empleados, especialmente sulfuros, y el extraño efecto del ámbar de atraer hacia sí objetos pequeños en su vecindad. Se conocía también los efectos de la piedra imán (longstone) o magnetita sobre pequeñas limaduras de hierro, atrayéndolas hacia sí.
Distinción entre lo eléctrico y lo magnético
lógico considerar que si el ámbar y la magnetita producen efectos de atracción, entonces se trata posiblemente de un mismo fenómeno. Esta interpretación se mantuvo seguramente hasta el renacimiento, cuando Cardano realizó las primeras experiencias que le permitieron diferenciar entre el comportamiento del imán y el comportamiento del ámbar. Al acercar el ámbar a pequeñas heces de paja se observa que ésta es atraída en cualquier dirección por el ámbar, mientras que las limaduras de hierro son atraídas solo en ciertas direcciones privilegiadas por el imán. Al respecto Cardano afirma que (tomado de Cid, 1977):
"La paja no es dirigida a ningún lado por el ámbar, el hierro es dirigido hacia el norte y el sur por el contacto del imán"
El efecto de atracción en la piedra-imán privilegia una dirección, ya sea el norte o el sur, pues el hierro sólo puede ser atraído por los polos del imán, mientras que el ámbar y las demás sustancias no tienen una dirección privilegiada, aunque la mayor tendencia sea en la dirección de frotación del objeto. Si bien ambos objetos atraen, el efecto de atracción en el imán señala dos centros de atracción (norte y sur) pero en el ámbar sólo pone de manifiesto uno. Así, el magnetismo exhibe un cierto carácter polar, entre tanto la electrificación, en primera instancia no lo hace (Wise 1979). Tener en cuenta la dirección en la que son atraídos los objetos livianos es un aspecto que permite comenzar a diferenciar lo eléctrico de lo magnético.
Fue precisamente el estudio del comportamiento del ámbar el que orientó lo que hoy en día se conoce como la ciencia de la electricidad (Conant 1957)
Un segundo aspecto de distinción entre lo eléctrico y lo magnético es la sugerencia de Cardano de que el ámbar puede atraer a muchos cuerpos livianos tales como semillas, plumas, hilos de paja…mientras que la piedra- imán solo lo hacía sobre cuerpos livianos de hierro. Sin que Cardano se lo propusiera ya estaba considerando los primeros detectores de electricidad. Muchos de los experimentalistas posteriores utilizaron plumas, semillas o hilos
metálicos como detectores de electricidad. El ámbar puede atraer cualquier material liviano que se encuentre en la vecindad, mientras que el imán solo puede hacerlo sobre limaduras de hierro, entonces no estamos frente al mismo fenómeno. De hecho deben ser fenómenos diferentes.
Quien recoge el pensamiento de Cardano y hace pública la distinción entre lo eléctrico y lo magnético es W. Gilbert (1544 – 1603) ya en la edad media. Gilbert encuentra que el hierro sólo es atraído por la piedra – imán, mientras que los cuerpos livianos no son solamente atraídos por el ámbar sino también por otras sustancias que producen el mismo efecto. Gilbert experimenta con muchas sustancias y elabora un registro de ellas, registro que publica en su libro “De Magnete”, seguramente el primer libro a nivel de la historia que publica un estudio sistemático y profundo sobre el fenómeno eléctrico y el magnético y con suficiente experimentación. Aunque su interés se centró principalmente en el estudio del magnetismo, investigó también la electricidad para distinguirla de éste (Hankins 1988). Gilbert (1958) En torno a la clasificación dice lo siguiente:
"No es únicamente el ámbar, como ellos suponen el que atrae cuerpos pequeños, sino
también el diamante, el Zafiro… el ópalo, la amatista, berilio y cristal de roca. Estas sustancias atraen todas las cosas, y no solo plumas de ave y pequeños trozos, sino también los metales, madera, piedra, tierra, y también agua y aceite, y todo lo que está sujeto a nuestros sentidos y es sólido”
Establecer que las sustancias frotadas atraen todo lo que está sujeto a nuestros sentidos y es sólido es una consideración fundamental. Esta virtud eléctrica, como era llamada en la época, no es una propiedad de algunas sustancias, sino de toda la naturaleza que es susceptible a nuestros sentidos. En principio, todos los cuerpos de la naturaleza se pueden electrificar por frotamiento y todos los cuerpos de la naturaleza pueden ser atraídos. Sin embargo Gilbert experimenta dificultad en los metales, en los que no encuentra evidencia de electrificación, ni siquiera teniendo los mayores cuidados. De todas maneras organiza
los distintos materiales de la naturaleza por su comportamiento; aquéllos que atraen como lo hace el ámbar son considerados como eléctricos, (ámbar en griego significa eléctrico).
Finalmente, para establecer más diferencias con el comportamiento de los imanes, Gilbert establece que las sustancias eléctricas requieren ser frotadas para observar el efecto de atracción, mientras que la piedra – imán no requiere ser frotada para producir efectos de atracción.
Las fuerzas de atracción
El centro de atención en los estudios de Gilbert (1958) sobre cuerpos eléctricos gira en torno a la frotación para obtener electrificación y en la atracción para evidenciar la electrificación.
Respecto a la frotación encuentra que no todos los materiales adquieren la misma fuerza de atracción cuando son frotados. Algunos evidencian mas fuerza que otros.
"fuerzas de atracción semejantes la poseen el vidrio, especialmente el limpio y brillante, gemas artificiales hechas de pasta, vidrio o cristal de roca, barras de fluorita y belemnitas. El sulfuro también atrae, como también el mastich,, la laca, la resina dura y otras. Fuerza de atracción débil la ejercen la sal gema, a cierta condición atmosférica, la mica y la roca de aluminio"
Si bien no menciona que la fuerza de atracción depende del material con que es frotado, se hace énfasis en que la calidad de la electrificación depende más de la naturaleza del material mismo que de la fuerza con que se realiza la frotación. Queda claro que la fuerza de atracción es una característica del cuerpo mismo, es decir del material y no tiene que ver con la intensidad con la que se produzca la frotación. La necesidad de frotar las sustancias para apreciar mejor los efectos y la selección de los cuerpos que son atraídos resultan
relevantes en su clasificación. Fuerzas fuertes y fuerzas débiles son las que experimentan los diferentes cuerpos al ser frotados.
Una pregunta que tal vez se hizo Gilbert tenia que ver con lo siguiente; ¿es posible aumentar las fuerzas atractivas para registrar mejor sus efectos? Experimenta con varias sustancias incluso sometiéndolas al calor y observando su comportamiento. En una de ellas manifiesta que:
"tenemos que el ámbar no atrae con el calor, porque al calentarlo al fuego y acercarlo a fibras, ya sea medio caliente, o fuerte o casi en ignición no ejerce ninguna atracción”
Un viejo prejuicio establecía que al frotar un cuerpo, éste se calienta y esa es la razón por la cual puede atraer cuerpos livianos en la vecindad. Al frotar un material, la fuerza de frotación hace que los cuerpos se calienten, se creía que el calor era la razón de la fuerza de atracción cuanto mayor frotación, más calor, y cuanto más calor más fuerza de atracción. Incluso muchos estudiantes, hoy en día, cuando se les pregunta por la fuerza de frotación opinan que cuanta mayor frotación se de a un objeto entonces mayor efecto de atracción va a tener. Gilbert afirma todo lo contrario, el calor no solamente no mejora la fuerza de atracción sino que ésta desaparece.
Gilbert establece que tanto el ámbar como las otras sustancias mencionadas después del frotamiento, comienzan con el tiempo a perder lentamente la virtud atractiva, hasta que ya no es posible observar efecto alguno, y que incluso unas lo hacen primero que otras. Además al calentar las sustancias, éstas pierden más rápido la virtud atractiva, ¿Cómo lograr entonces mantener por mayor tiempo la fuerza de atracción?
La explicación del comportamiento de los materiales frente a la electrificación lo hace Gilbert, desde un contexto animista de la naturaleza. Al respecto Summers (1988) traduce de Gilbert que:
"La electricidad es una propiedad universal de la materia" “mediante el frotamiento se
libera la sustancia electrizada o “efluvio” que es como una materia sutil que entra en contacto con los cuerpos ligeros en las proximidades del objeto electrizado haciendo que los cuerpos se junten”
El problema en torno ha qué ocurre con la virtud eléctrica una vez frotado el cuerpo y por qué después de cierto tiempo ésta desaparece son abordadas posteriormente por Stephen Gray en Inglaterra.
Evidencia de efecto sensible
A diferencia de otros fenómenos de la naturaleza en los que los efectos son sensiblemente más notorios, como los fenómenos térmicos o mecánicos, los fenómenos electrostáticos pueden llegar a ser imperceptibles para ser observados. Gilbert es el primero en manifestar la dificultad al considerar las fuerzas de atracción débiles que manifiestan algunos cuerpos al ser frotados. ¿Como detectar los efectos de estas fuerzas débiles? Un problema notorio lo tuvo con los metales, los cuales se apreciaba que no atraían cuerpos livianos en su vecindad después de ser frotados. Había dos alternativas, no se dejaban electrificar o su electrificación era muy débil para ser detectada. Esta preocupación lleva a Gilbert a diseñar un instrumento que tuviera la mayor sensibilidad posible. Ya se conocía la brújula traída de oriente e incluso su utilidad como guía para los marineros: se sabía que siempre apuntaba hacia el polo norte magnético terrestre. Gilbert (1958) (1952) construye por analogía un instrumento con sensibilidad al movimiento de rotación al que denomina “Versorium”, el cual consiste en una aguja montada sobre un soporte fijo, con libertad de movimiento sobre su eje. La sensibilidad del instrumento está en que el soporte termina en punta y por lo tanto la aguja puede fácilmente salir de su posición de equilibrio. Con éste instrumento realiza cuidadosas observaciones sobre el comportamiento de muchos materiales al ser frotados, llegando a concluir que los metales no son eléctricos, en tanto no es posible evidenciar
fuerza de atracción con el Versorium. Más tarde Dufay demostraría que los metales si se pueden electrificar.
Con la clasificación de los materiales en eléctricos y no eléctricos realizada por Gilbert, posteriormente Dufay encuentra que algunos cuerpos son más aptos que otros para ser atraídos. No todos los materiales resultan atraídos de la misma forma y con la misma intensidad. Esto permite seleccionar materiales para ser utilizados como detectores. Dufay lo expresa así (tomado de Cid 1977):
“Los cuerpos menos aptos para convertirse en eléctricos por si mismos, son los que más fácilmente resultan atraídos y los que con mayor facilidad transmiten y a mayor distancia y más abundantemente la materia eléctrica”
Los no-eléctricos son los que evidencian fuerzas débiles (imperceptibles) tal como los metales, papel, hilos, plumas…mientras que los eléctricos como vidrio, cera o laca no eran convenientes para evidenciar efectos. Hauksbee, en sus experimentos, utilizó hilos metálicos suspendidos con capacidad de moverse a uno y otro lado. El problema de estos detectores era vencer la acción gravitacional cuando el efecto es muy pequeño; por lo demás resultaron bastante sensibles y fueron también utilizados por Faraday y Maxwell en muchos de sus experimentos. Gray se valió a su vez de plumas como detectores de la comunicación de la electrificación pudiendo hacer observaciones del comportamiento de materiales que se encuentran en contacto, incluso a grandes distancias.
Para Faraday hay dos aspectos se hacen relevantes al momento de pensar en diseñar buenos detectores. Resalta cómo se pueden obtener: el soporte debe permitir gran movilidad y el material ha de ser bastante liviano. Sugiere que, por ejemplo, el vidrio convexo de un reloj es un buen soporte si se coloca encima una tablilla de vidrio que pueda girar libremente. También se puede utilizar tiras de papel en forma de aro, tal que al acercar el cuerpo frotado “La tira empieza a girar tratando de alcanzar la varilla de lacre” Faraday (2004)
Un aspecto que se hace relevante para Faraday es que el cuerpo frotado también se puede convertir en detector de electrificación. Al respecto Faraday (2004) dice:
“En cualquier situación el cuerpo que atrae también es atraído o repelido”
Faraday ya estaba convencido de la existencia de dos electricidades y de sus comportamientos. En uno de sus experimentos coloca una varilla de laca frotada previamente con franela sobre un soporte de papel hecho en forma de estribo, suspendido de un hilo de seda y observa como al frotar otra varilla de laca con franela y acercarla a la que se encuentra suspendida se observa repulsión entre ellas. La repulsión era un indicio de electrificación y el cuerpo electrificado era ahora un detector de electrificación. El éxito de este experimento es posible gracias a que Faraday ya consideraba que la electrificación se presenta en cuerpos electrificados y no como se pensaba antiguamente, que un cuerpo porta la electrificación y el otro es neutro.
Partiendo del reconocimiento de la existencia de las dos electricidades, Faraday (1965) y Maxwell (1951) utilizaron detectores basados en el comportamiento dual de la electricidad. Un fino hilo metálico (usualmente oro) era suspendido del recipiente metálico al cual se quería identificar su electrificación y a lado y lado del hilo se colocaban objetos que habían sido electrificados previamente, ya sean vítreos o resinosos. El comportamiento del hilo en una dirección o en la otra, mostraba el tipo de electrificación que tenía el recipiente metálico. Estos instrumentos fueron llamados electrómetros, porque además de evidenciar la electrificación podían hacer registros y medidas.
Los electroscopios actuales de panel de oro utilizan el principio sugerido por Dufay de repulsión eléctrica entre dos electrificaciones de la misma clase. En ellos, una aguja puede moverse libremente alrededor de un eje de rotación bastante sensible y cuando hay electrificación entonces se observa repulsión de la aguja con relación a su eje central. Los libros de texto no consideran relevante esta información.