L'electricitat des del seus origens

Diuen que la primera observació sobre l’electricitat la va realitzar Tales de Mileto l’any 600 abans de Crist. Observà que petites partícules d’herba seca eren atretes per un tros d’ambre que abans havia fregat amb la seva túnica. No sabem si això era fruit d’una experiència o de la casualitat, però és la primera referència que es té del coneixement de l’electricitat. També es diu que a Síria, les dones utilitzaven la rara propietat de l’ambre per treure les fulles, palla i petites coses que s’enganxaven a la roba.

Però, va haver de ser tres segles més tard que el filòsof Theophrastus (374-287 AC) va deixar per escrit aquestes observacions i altres que va fer amb diverses substàncies, fent d’aquesta manera el primer estudi científic sobre l’electricitat.

El romà Plíni (23-79 DC), conegut viatger i naturalista clàssic, va fer també experiments amb l’ambre i ho comparà amb la pedra imant. També parlà d’un peix del que sortien espurnes, però no relacionà els fenòmens entre ells i els citava senzillament com a curiositats naturals dignes de figurar en el llibre que va escriure.

Al cap de mil cinc-cents anys, el metge i físic anglès William Gilbert (1544-1603) degué llegir o degué saber d’aquestes experiències fetés a la Grècia clàssica i les va repetir... va estudiar els efectes produïts, és a dir l’atracció de l’ambre sobre unes fines partícules i anomenà electricitat a aquest fenomen, de la paraula elektron que és el nom grec de l’ambre. Experimentà amb altres substàncies i va observar el mateix fenomen en el sofre, el lacre, i algunes pedres precioses. La Reina Elizabeth I li demanà també que fes un estudi dels imants per a millorar l’exactitud de les brúixoles usades per a la navegació. Aquest treball va ser la base dels estudis posteriors d'Electrostàtica i Magnetisme. Gilbert va escriure un llibre que titulà "De Magnete", on feia referència a Tales i a Theophrastus. El Gilbert és el nom de la unitat de mesura de la força electromotriu.

Anys desprès de la mort de Gilbert, l’irlandès Boyle va demostrà que l’electricitat perdura un cert temps en els cossos desprès d’haver-los fregat

A partir d’aquests estudis, l’electricitat va despertar la curiositat i va ser objecte de moltes investigacions. L’ambient científic de finals del segle XVII va ser favorable a aquestes recerques. L’any 1672, l’alemany Otto von Guericke (1602-1686) va desenvolupar la primera màquina electrostàtica per produir càrregues elèctriques. També descobrí que cossos que no han estat electritzats per fricció, s’electritzaven quan es posaven en contacte amb altres que ho havien estat.

L’any 1733, el francès François de Cisternay du Fay descobrí que dues esferes de suro, fregades amb una vareta de resina, es rebutjaven si es posaven en contacte una amb l’altra. Però, si les carregava elèctricament per separat i de diferent manera (una amb una vareta de vidre i l’altre amb una de resina) s'atreien en lloc de separar-se. Es creia que l’electricitat tenia una naturalesa fluida i digué que n’hi havia de dos tipus: resinosa i vítria.

L’any 1745, a la universitat de Leyden es va idear un sistema per emmagatzemar electricitat estàtica, "la botella de Leyden" que més tard seria el primer condensador elèctric. Aquest ingeni es va fer popular i s'utilitzà per fer demostracions de les meravelles de l’electricitat. La botella va ser millorada, però mantingué la seva estructura original. Durant molts anys va ser objecte d’experiències i enginy fonamental per detectar el comportament de moltes altres experiències sobre l’electricitat. A l’any 1795 es publicà una història de l’electricitat en tres volums que deia que amb la botella de Leyden s’inicià una nova era de l’electricitat i que era improbable que es pogués esperar qualque cosa més d’aquest fenomen. Dos anys desprès, el físic anglès William Watson, mitjançant un cable va transmetre instantàniament una càrrega elèctrica a una distància de més de tres quilòmetres... Es podia utilitzar aquest fenomen per a la comunicació instantània? La resposta va tardar uns anys encara.

Benjamí Franklin, també conegut com a un dels polítics de la independència dels EEUU, va ser un notable investigador de l’electricitat. Un amic que venia d’Europa li va dur una botella de Leyden, amb la que pogué du a terme gran quantitat d’investigacions. La invenció del parallamps va ser el resultat de les seves experiències amb electricitat atmosfèrica. L’any 1747 va afirmar, en contra del que s’havia dit abans, que no hi havia dos tipus de fluids elèctrics, sinó un sol tipus que es podia presentar per excés o per defecte, i anomena a aquests efectes com a "electricitat positiva" o "electricitat negativa". Aquesta idea de "dues electricitats" era incorrecta, però els noms de positiu o negatiu encara se segueixen utilitzant

L’any 1750 es va idear una màquina d’inducció de càrregues elèctriques que millorà les primeres d’aquestes màquines ideades 75 anys abans.

L’any 1766 el químic Joseph Priestley (1733-1804) va afirmar que la força entre càrregues elèctriques és inversament proporcional a la distància que les separa. A aquest químic se li deu també el descobriment de l’oxigen

L’any 1776, Charles Agustin de Coulomb (1736-1806) inventà la balança horitzontal amb la que va mesurar exactament la força d’atracció entre càrregues elèctriques i confirmà experimentalment les teories de Priestley de deu anys abans.

Un anatomista italià, Luigi Galvani, observà per primera vegada que una descàrrega elèctrica sobre les potes d'una granota morta produïa contraccions dels seus músculs. Diuen que aquest descobriment va ser la inspiració de la novella "El Doctor Frankenstein" escrita en aquesta època. Galvani va penjar músculs de granota a una reixa metàl·lica durant una tempesta. Les potes de les granotes es movien i això va durar fins i tot desprès de la tempesta. Va descobrir que l’estimulació es produïa quan el múscul tocava dos metalls diferents de la reixa, ferro i coure. Galvani va creure que l’electricitat es generava en el múscul, observació errònia que es descobrí més tard per altres investigadors. Galvani va fer el seu descobriment l’any 1786, però continuà investigant i va publicar el seus resultats l’any 1791.

Alessandro G. Volta, uns anys més tard (1796) va suposar el contrari, és a dir, que el contacte entre metalls diferents era el que generava electricitat. Aquesta hipòtesi li va permetre construir el primer dispositiu generador d’electricitat. Era la transformació de l’energia d’una reacció química en energia elèctrica. Aquesta va ser la primera vegada en la història que es generava electricitat continua i estable.. Va comunicar les conclusions de la seva investigació a la "Royal Society" de Londres el 28 de juny de 1800. Aquest dia es considera que començà el segon període de l’electricitat. Ja no es depenia de l’electricitat estàtica i es pot dir que es va entrar a la història de l’electricitat aplicada o de la indústria elèctrica.

La primera pila de Volta es va anar utilitzant i perfeccionant. Però, a aquestes primeres piles es deuen els avanços teòrics i pràctics que succeïren posteriorment i les primeres lleis de l’electricitat. Aquesta pila va ser el fruit de la intuïció i es va fer funcionar sense saber exactament quina era la causa de l’energia elèctrica produïda. Va ser al cap de quaranta anys que Faraday descobrí la font química de l’electricitat.

Un dels investigadors que s’aprofitaren de la invenció de la pila va ser Sir Humphry Davy (1778-1829) que desenvolupà l’electroquímica. Va fer investigacions sobre l’ús de la pila de Volta i intentà explicar científicament el seu funcionament. L’any 1801 observà "l’arc elèctric" entre dues puntes intercalades dins el circuit d’una pila i també es deuen a ell les primeres observacions sobre la incandescència d’un conductor pel que passava l’energia elèctrica d’una bateria. Entre els anys 1806 i 1808 publicà els resultats de les seves investigacions sobre l’electròlisi. Amb aquest mètode aconseguir la separació del magnesi, bari, estronci, calci, sodi, potassi i bor. L’any 1807 fabricà una bateria amb més de dos mil plaques amb les que descobrí el clor i demostrà que és un element i no un àcid com es creia. Entre els seus encobriments pràctics s’ha de destacar una llum de seguretat pels miners. A un altre nivell es diu que un dels seus descobriments més importants va ser conèixer a Faraday quan era jove i treballava com a enquadernador a una impremta i ho va agafar com a ajudant pel seu laboratori.

Una empenta a la teoria de l’electricitat la va donar el matemàtic francès Siméon-Denis Poisson (1781-1849) que a l’any 1812 publicà un treball relacionat amb l’aplicació matemàtica a l’electricitat i va definir matemàticament les lleis de l’electrostàtica i les primeres que feien referència a l’electricitat i al magnetisme.

L’any 1820, el físic danès Hans Christian Oersted demostrà que un corrent elèctric generava un camp magnètic. Ho havia descobert quan feia una experiència amb els seus estudiants, una agulla d’una brúixola col·locada accidentalment prop d’un cable d’una pila voltaica es va moure.

Aquest descobriment va ser tenir molta importància per a la història de l’electricitat. Es posa en evidència la relació existent entre electricitat i magnetisme i s’avançà ràpidament en la comprensió de la relació entre els dos fenòmens. Aquest mateix any, André-Marie Ampère demostrà que un solenoide (cable enrotllat en forma de molla) augmentava considerablement el campo magnètic generat, en proporció directa amb la quantitat de voltes que se li donaven al cable.

L’any següent al descobriment de Oersted, Michael Faraday va introduir una idea fonamental per a la física moderna. Va parlà de "camp" per a descriure una força electromagnètica. En 1820 Jean-Baptiste Biot (1774-1862) i Felix Savart (1791-1841) varen calcular la força exercida per un camp magnètic sobre una carrega elèctrica i demostraren que és inversament proporcional al quadrat de la distància. A aquesta força la definiren com a "intensitat de camp"

L’any 1823, l’anglès William Sturgeon (1753-1850), aprofitant l’efecte dels solenoides, va inventar l’electroimant. Amb el primer que va construir va aixecar un pes de quatre quilos.

Andre-Marie Ampere (1775-1836) arriba aquell mateix any a la conclusió que la força electromotriu és el producte de la tensió elèctrica i de la quantitat de corrent elèctric que travessa un conductor. Experimentà amb conductors i observà que s'atreuen si els corrents flueixen en la mateixa direcció i es rebutgen si els corrents flueixen en direccions contraries. A ampere se li deu la formulació matemàtica dels fenòmens estudiats per Oersted.

Les investigacions avançaven a un bon ritme, tant a l’àmbit teòric com en el de les aplicacions pràctiques. L’any 1826, el físic alemany George Simon Ohm (1789-1854) va definir la "resistència elèctrica" i proposà la llei que porta el seu nom, la Llei d’Ohm. La pràctica avançà de la mà de Faraday, que inventà l’any 1831 el transformador i el generador elèctric.

L’americà Joseph Henry (1799-1878) perfeccionà els electroimants i en fabricà un que aixecava una tona de pes. També observà que la polaritat canviava en funció de la direcció del flux del corrent. Una de les aplicacions més importants d’aquest fet va ser va ser el motor elèctric, inventat pel mateix Joseph Henry l’any 1826.

A pesar de la invenció dels primers generadors electromagnètics, l’electricitat se seguia generant majorment a partir de l’energia química de les piles. Una millora notable la va fer l’any 1836 i va ser deguda a John Daniell (1890-1845) que va aconseguir una major estabilitat i durada.

La primera gran aplicació de l’electricitat fora del laboratori i de reduïdes aplicacions en el món de l'electroquímica, va ser en el camp de les telecomunicacions. L’any 1835, Samuel F.B. Morse (1791-1867), mentre tornava d’un viatge va tenir la idea d’utilitzar un circuit electromagnètic per transmetre informació. L’any 1835 va construir el primer telègraf elèctric. L’any 1837 intentà aconseguir finançament per a instal·lar el primer telègraf elèctric comercial, cosa que no va aconseguir fins l’any 1843 en què començà la construcció d’una línia telegràfica de 41 milles que anava des de Baltimor fins el Capitoli de Washington. A Europa es desenvoluparen altres sistemes telegràfics, però eren extremadament complicats i al final va guanyar el sistema Morse, amb el codi de signes que tothom coneix. En qüestió de molts pocs anys les línies telegràfiques es multiplicaren coincidint amb la gran expansió del ferrocarril.

L’any 1851, Ruhmkorff ideà i construí la bobina d’inducció que du el seu nom, que va ser utilitzada en nombrosos invents posteriors que necessitaven d’una manera quasi instantània disposar d’un elevat voltatge. El timbre elèctric, un enginy més modest, s’inventà el 1855

Entre els anys 1836 i 1840 s’idearen diversos tipus de motors elèctrics, però tots topaven amb l’inconvenient de la generació d’energia elèctrica necessària pel seu funcionament. La principal contribució d’aquests ingenis va ser obrir el camí a una màquina que funcionés a l’invers. Els motors transformaven l’electricitat en moviment... només feia falta aconseguir l’operació inversa, generar electricitat a partir del moviment. Els primitius motors eren semblants a màquines de vapor amb bobines en lloc de pistons. No va ser fins l’any 1865 que es construïren els primers motors semblants als que tenim avui dia.

El generador rotatiu, a l'igual que els motors, sofriren molts entrebancs abans de poder competir amb la generació d’electricitat per procediments químics. El seu rendiment era molt baix, però el corrent que garantitzava era més constant i "durava" més temps, tot el temps que funcionava la màquina. Les bateries funcionaven molt bé al començament, però el seu potencial baixava ràpidament i la seva recarrega era complicada i molesta. No servien per a mantenir sistemes que necessitaven un corrent molt intens i de llarga durada. A l’any 1862, una anomenada "màquina d’Aliança" va produir suficient corrent per alimentar un llum d’arc voltaic. Aquesta màquina tenia quaranta imants col·locats al voltant d’un sistema de bobines que giraven en el centre... el generador elèctric donava les seves primeres passes. Un italià, Antoni Paciotti, va proporcionar un millor rendiment a un generador substituint els imants permanents per electroimants. El problema era proporcionar l’electricitat necessària per produir la imantació inicial dels electroimants.

L’any 1866 va ser l’any dels generadors. Siemens a Berlín, Wheatstone a Anglaterra i Farmer a Amèrica, construïren generadors (dinamos) amb rendiments considerables i amb tecnologia relativament senzilla i no gaire costosa. L’abundància d’energia elèctrica començava a ser una realitat. La dinamo definitiva va ser fabricada pel francès Zenobe Gramme, inventor del nucli circular base dels electroimants.

A l’exposició d’electricitat de Viena a l’any 1873, una gran dinamo Gramme funcionava moguda per una màquina de vapor. El corrent elèctric produït es conduïa per uns cables i feia moure una altra màquina Gramme que actuava com a motor. En el món s’havia produït un altre canvi... havia començat l’any 1836 amb els primers motors elèctrics i un sistema nou marcava el començament de l’industria elèctrica.

La il·luminació elèctrica va ser el tercer camp d’aplicacions de l’electricitat. El llum d’arc havia nascut l’any 1809. El fonament de l’arc és molt senzill, però poc pràctic. Davy, l’inventor de l’arc havia fet experiències amb metalls escalfats fins a la incandescència.. Inclús els havia col·locat dins ampolles de vidre per evitar la seva combustió fent el buit dins l’ampolla. L’any 1845, Starr i King fabricaren el primer llum amb un filament de carbó dins una ampolla de vidre on havien fet el buit. Aquestes bombetes funcionaren durant una demostració patriòtica als EEUU però un dels seus inventors morí i l’invent queda oblidat.

Varen ser Edison als EEUU i Swan a Anglaterra, els que varen fabricar el definitiu llum d’incandescència comercial semblant als que encara s'utilitzen actualment. Des de 1848, Swan havia treballat amb filaments carbonitzats, semblants als que més tard faria servir també Edison. El problema era aconseguir un buit suficient per evitar la combustió. Això no s’aconseguí fins l’any 1868 amb unes bombolles de vidre patentades a Alemanya. Aquell any sortia al mercat un llum comercialitzable.

Mentrestant, Edison treballava amb una idea diferent... un sistema complet d’energia que volia incloure des de la producció fins el consum amb tots els accessoris que hi ha entre mig. Les primeres bombetes les va fer utilitzant un filament de platí a 10 volt, però tot d’una es va adonar que la tensió havia de ser més elevada si volia reduir les pèrdues de transport i per tant el rendiment del sistema. La tensió escollida va ser de 110 volt. Experimentà el sistema l’any 1879 a la fàbrica d’electricitat de Menlo Park de Nova Jersey. Dos anys més tard presentà els seus productes a l’exposició de París, on aconseguí un gran èxit. L’any següent posà en funcionament la instal·lació de Pearl Street, a Nova York, que serviria de model per a la major part de sistemes d’energia elèctrica que s’instal·laren posteriorment.

A partir de 1880, el desenvolupament més notable de l’energia elèctrica va ser el mateix creixement extraordinari del sistema. Parlant de sistemes i utilitzant terminologia de sistemes, va ser una retroalimentació positiva... cada nova instal·lació portava a altres. En aquest període començaren els sistemes de distribució d’energia que avui tenim per tot el món. La instal·lació d’Edison va mostrar el camí, però tenia un defecte, la capacitat de transmissió d’energia a llargues distàncies. La idea de transportar l’energia elèctrica a distància no era molt antiga. Va ser amb el generador Gramme el que havia permès pensar amb aquest transport. Abans d’aquest enginy, les distàncies pel que fa al transport d’electricitat es mesuraven en metres, a partir d’ara ja es començava a pensar en quilòmetres, però s’havia de resoldre el problema de les pèrdues que el transport generava. Una línia de 14 km. instal·lada a Franca tenia un rendiment del 62% i una experiència feta sobre una línia telegràfica de 57 km. només arribava al 32% de rendiment. El problema era la baixa tensió del corrent. El corrent continu se genarava amb la mateixa tensió amb que s’utilitzava posteriorment i que, teoricament, es mantenia durant tot el procés. Però la realitat era que per poder tenir el màxim rendiment d’aquest sistema, els conductors havien de ser de molta secció i per tant pesats, difícils d’aguantar amb els seus suports i extremadament costosos. La solució l'oferí el corrent altern.

La inducció electromagnètica ja s’havia experimentat i s’havien fet investigacions amb transformadors, però no havien sortit dels laboratoris o del camp de la investigació científica. Gaulard i Gibbs, a l’any 1882, havien patentat un transformador industrial de corrent altern, però no va tenir gaire èxit davant l’empenta que duia el corrent continu impulsat per Edison amb el seu sistema. George Westinghouse, un industrial que volia ampliar el seu camp d’acció va adquirir els drets de la patent de Gaulard i Gibbs a l’any 1885. Un enginyer de la seva empresa projectà un sistema complet de distribució de corrent altern per a fer la competència a Edison i al seu sistema. L’any 1886 ja feia una primera instal·lació comercial a la ciutat de Buffalo. L’electricitat es generava a una determinada tensió, desprès s’augmentava la tensió pel transport i d’aquesta manera es reduïen les pèrdues de transmissió i finalment es tornava a reduir la tensió a les necessitats del consum. Un corrent elèctric va ser transportat a més de 160 km de distància a la tensió de 30.000 volt... avui dia és normal el transport a grans distàncies utilitzant tensions de 300.000 volts.

Amb aquest sistema de la ciutat de Buffalo començà la gran guerra entre els dos tipus de corrent. Els arguments que donava Edison en contra del corrent altern era el seu perill. Aquests mateixos arguments eren exposats pels seguidors d’Edison i figuren a petites obres de divulgació del corrent elèctric, entre elles una d’un menorquí que defensava el corrent continu l’any 1892, quan es va inaugurar a Maó la primera central de les Illes Balears.

El pas definitiu per a la implantació del corrent altern es deu a un altre invent o descobriment. Nikola Tesla, que havia treballat a l’empresa d’Edison i que l’havia deixada per "incompatibilitat personal amb Edison". Tesla havia ideat un motor per a corrent altern l’any 1883, però el seu ús depenia d’un sistema de generació del mateix tipus de corrent o de la transformació de corrent continu a corrent altern, i va tenir poc èxit a un moment en què semblava que el corrent continu havia de dominar els mercats. Al cap d’uns anys, Tesla va idear un sistema de generació d’energia elèctrica "polifàsica". Els corrents generats fins aquell moment utilitzaven un sistema de dos conductors, fossin de corrent continu o altern. La novetat de Tesla va ser, utilitzant les propietats del corrent altern, desenvolupà un sistema que permetia la generació simultània de diferents corrents desfasades una amb l’altre. A partir d’aquest moment es va parlar de fases quan es feia referència als conductors elèctrics. La utilització pràctica d’aquest descobriment es va decantar cap a un sistema de tres conductors: el corrent trifàsic. D’aquest tipus de corrent altern es podien utilitzar dues fases per a les aplicacions domèstiques i tres fases per a les aplicacions industrials, amb una doble oferta que va suposar un gran avanç en la comercialització de l’energia elèctrica. Tesla ideà un motor elèctric trifàsic que podia invertir el sentit de gir amb molta facilitat i no utilitzava escombretes, és a dir, motors de manteniment molt més senzill que els utilitzats fins a aquells moments. El sistema de Tesla va ser utilitzat pel grup Westinghouse, que amb el transformador que comercialitzava, va disposar d’un sistema complet de generació, transport i consum amb un rendiment superior al que havia comercialitzat Edison anys enrera. La primera instal·lació a gran escala utilitzant el corrent altern trifàsic va ser també la primera gran instal·lació hidroelèctrica, aprofitat les cascades del Niàgara. A partir d’aquest moment la guerra ja estava definitivament guanyada pel corrent altern... el corrent continu tendria moltes altres aplicacions, però no la de proporcionar l’energia elèctrica bàsica pel nou sistema que just acabava de començar. Era l’any 1896, les torres d’alta tensió ja tenien el camí lliure per ser els nous elements del paisatge com estàndards d’una nova era.