Лейденская банка — история создания первого электрического конденсатора
Явление электризации тел трением было известно еще древним грекам. В частности о притягивании легких тел натертым шерстью янтарем писал Фалес Милетский в VI в. до н. э. и, собственно, от слова «янтарь» на греческом и происходит термин «электрика», введенный в современную терминологию англичанином Уильямом Гилбертом в его работе «О магните, магнитных телах и большом магните Земли» 1600 года. Автору Гилберта принадлежит и первый электроскоп – стеклянная колба с помещенным в ее центр металлическим стержнем, предназначенная для индикации наличия электрического заряда.
Первый электростатический генератор
Гравюра 1750 года, демонстрирующая устройство для получение статического электричества
Спустя полвека Отто фон Герике, работавший в Магдебурге, сконструировал первый электростатический генератор — шар из серы, который, вращаясь вокруг оси, при трении об руку производил электрический заряд. Это устройство, в той или иной форме усовершенствованное несколькими изобретателями, на долгие годы стало основным для экспериментов по изучению статического электричества. Ими заинтересовался и декан кафедрального капитула города Каммин в Померании (ныне Камень-Поморский, Польша) Эвальд фон Клейст, намереваясь повторить один из трюков профессора Лейпцигского университета Георга Бозе, прославившегося зрелищными шоу с использованием т.н. «машин трения«.
В отличие от своих предшественников, считавших, что только изоляторы, которые в то время называли «электриками», могут накапливать статический заряд, Бозе в своем устройстве использовал погруженный в воду металлический стержень, искрой от которого он удивлял публику, зажигая спирт, разлитый на поверхности воды.
Эксперименты Клейста
Конструкция лейденской банки
Когда 11 октября 1745 года Клейст, пытаясь повторить этот трюк, одной рукой взялся за электрод, соединенный с электростатическим генератором, а другой придержал стеклянный сосуд, его поразил разряд тока, настолько сильный, что «показалось будто всему конец», как отметил он в тот день в дневнике. Сделав вывод, что колба с водой «отняла электрический заряд» из металлического электрода, а стекло предотвращает «утечку заряда», Клейст немедленно поделился своими наблюдениями по меньшей мере с пятью учеными, в частности с Даниэлем Гралатом из Данцига, после нескольких неудачных попыток в 1746 году все же сумел повторить его опыт.
Шоу Георга Бозе были известны далеко за пределами Германии и среди тех, кто пытался их повторить, был и профессор физики Лейденского университета голландец Питер ван Мушенбрук. Эксперименты, проведенные им вместе с ассистентом Жаном-Николя Аламандом и приятелем Андреасом Кунесом увенчались успехом, о чем Мушенбрук 20 января 1746 г. письмом сообщил своему французскому коллеге Рене Реомюру. Тот поделился новостью с Жаном-Антуаном Нолле, который, несмотря на оговорку Мушенбрука, повторил его «новый и крайне опасный» эксперимент, о чем в апреле доложил на заседании Парижской академии наук, назвав устройство для накопления электрического заряда Лейденской банкой.
Изобретение Мушенбрука
Обнаружение лейденской банки в лаборатории Мушенбрука
Новость об изобретении Мушенбрука мгновенно разлетелась по миру. Пытаясь его усовершенствовать, Иоганн Винклер из Лейпцига переместил электрод из середины стеклянного сосуда поближе к его внутренней стенке, впоследствии заменив его цилиндром из металлической фольги. Он экспериментировал с различными наполнителями Лейденской банки, такими как масло и вино, и установил, что количество накопленного ею электрического заряда зависит от площади электрода и его расстояния до стеклянной поверхности, о чем 29 мая 1746 года письмом сообщил Лондонскому королевскому обществу по развитию знаний о природе.
Через два месяца Винклер и независимо от него Даниэль Гралат провели эксперименты с соединением, вероятно, последовательным двух-трех Лейденских банок, которое впоследствии американцем Бенджамином Франклином было названо «электрической батареей».
Лейденская банка получает современный вид
В 1747 году Лейденская банка приобрела свой современный вид — двое лондонских врачей Уильям Уотсон и Джон Бевис отказались от наполнения ее жидкостью или мелкими свинцовыми шариками, и, покрыв внешнюю и внутреннюю поверхность стеклянного цилиндрического сосуда тонкой фольгой из олова, создали первый конденсатор. В том же году Уотсон попытался измерить скорость передачи электричества, для чего соединил Лейденскую банку кабелем, проложенным лондонским Вестминстерским мостом через Темзу, другой конец которого подключил к собственному телу: из-за мгновения впечатления разрядом был сделан вывод, что передача электрического заряда происходит слишком быстро, чтобы ее можно было определить экспериментально.
Наконец, в конце 1756 года член Прусской академии наук Франц Эпинус и независимо от него шведский физик Юхан Вильке модифицировали Лейденскую банку, заменив в ней стекло воздухом, а в 1783 году итальянец Алесандро Вольта, изучая то, что сейчас называется электрической емкостью, создал первый плоский конденсатор.
Лейденские банки той или иной конструкции использовали преимущественно в медицинской отрасли для электротерапии, особенно популярной в Викторианскую эпоху, вплоть до конца XIX века, когда они нашли применение в искровых радиопередатчиках. Дальнейший технический прогресс в области радио и телекоммуникации потребовал увеличения надежности электрических устройств и в 1900-х годах на смену Лейденской банке пришли более компактные бумажные, а впоследствии — фарфоровые и слюдяные конденсаторы.
Как был устроен первый конденсатор лейденская банка
Как был устроен первый конденсатор — лейденская банка
Используя Интернет, найдите, как был устроен первый конденсатор — лейденская банка. Изготовьте её.
Ответ
Лейденская банка — первый электрический конденсатор, изобретённый голландским учёным Питером Ван Мушенбруком и его учеником Кюнеусом.
В 1745 году подобную банку смастерил Эвальд Георг фон Клейст. Через год подобное устройство, но с некоторыми отличиями, создали в Лейденском университете. Этим устройством заинтересовался аббат Нолле из Франции, который продемонстрировал его королю. Именно благодаря демонстрации первая конструкция электрического конденсатора получила название банка из Лейдена.
Этот старинный прибор, может накапливать статическое электричество. До изобретения этой банки ученые вырабатывали электричество с помощью диэлектриков в виде стекла или янтаря, а также электростатических генераторов. Клейст решил провести эксперимент, зарядив электрическим зарядом воду в банке посредством штыря из железа. В то же время банка находилась на металлической тарелке. Проведя опыты, он понял, что в банке конденсируется электрический ток.
Состоит он из емкости (банки) обернутой фольгой с внешней стороны и внутренней обклеенной собственно той же фольгой на две трети высоты, они и будут обкладками нашего конденсатора, а емкость (кстати, не должен пропускать электричество) будет диэлектриком между ними.
Лейденская банка имеет принцип действия, свойственный обычному электрическому конденсатору. Основное достоинство банки перед конденсаторами пластинчатого вида кроется в довольно большой поверхности, а также в наличии замкнутого контура при разных и одинаковых параметрах. В качестве источника заряда для банки может применяться батарея, аккумулятор либо другое устройство. Электрический заряд способна выдавать и палочка из эбонита, которая заранее была потерта о шерстяной материал. Она имеет свободные электроны.
При соприкосновении стержня из металла с крышкой сосуда электроны перемещаются от палочки на поверхность внутреннего электрода. В результате отрицательные заряды накапливаются на внутреннем электроде, так как банка имеет ограниченную способность к накоплению зарядов. В виду взаимного отталкивания не весь электрический заряд может перейти на электрод. Возможность накапливания или удерживания заряда как раз и зовется емкостью.
Емкость увеличивается благодаря присутствию второго электрода, который расположен на внешних стенках банки. При заземлении этого электрода, заряд который накапливается внутри, может притягивать с поверхности земли плюсовой заряд, равный такой же величине. Плюсовой заряд на электроде внутри банки притягивает отрицательные электроны, что приводит к частичному сдерживанию сил отталкивания. В результате можно несколько увеличить емкость банки.
Лейденская банка считается одним из самых важных изобретений, что дало толчок к дальнейшему изучению электричества. Благодаря этому стали изучаться электропроводящие свойства многих материалов. Именно при помощи этой банки была получена электрическая искра искусственным путем. Сегодня банка в большинстве случаев используется лишь для демонстраций в виде элемента электрофорной машины. Ее заменили устройства в виде современных конденсаторов, которые отличаются большей емкостью и удобством использования.
Тем не менее, использование данного вида конденсатора позволяет наглядно продемонстрировать, как работает это устройство. Но банка имеет определенные ограничения по хранению электронов. Вызвано это не идеальностью применяемых изоляционных материалов. В то же время электроэнергия в такой банке может храниться достаточно долгое время, если отключить ее от цепи.
Благодаря изобретению банки удалось установить влияние элктроразрядов на человека. В результате появилась электромедицина. Именно в этой области стали широко применяться банки для проведения экспериментов и лечения человека. Банки использовались для телеграфов, ведь они давали необходимый сигнал. Устройство заряжалось вручную. Выяснилось, что устройства большего объема могли обеспечивать более сильный разряд.
Сегодня подобную банку можно смастерить самостоятельно и в довольно короткие сроки. Для этого потребуется банка из пластмассы, пластина из жести, которой припаивается изолированный провод, фильтровальная бумага, уголь активированный, соленая вода, а также крышка с выводом-контактом. Пластина помещается на дно банки, конец провода выводится наверх. Закрывается бумагой и слоем угля. Наливается вода, а банка закрывается крышкой с выводом. В результате банка будет иметь два изолированных провода. При подведении напряжения появится эффект конденсации.
Электричество в банке
11 октября 1745 года Эвальд Георг фон Клейст сделал первый электрический конденсатор
Год спустя конденсатор был создан в Лейденском университете и вошел в историю науки как лейденская банка. Внешне он немного отличался от конденсатора Клейста, но их принципиальная конструкция была идентичной.
В XVIII веке ученые, как и в античные времена, получали электричество трением янтаря, стекла, серы и других диэлектриков, но уже в больших масштабах благодаря изобретению электростатических генераторов в виде крутящегося стеклянного шара или диска с механическим приводом и щетками для его натирания. Генератор электричества мог смастерить любой физик-любитель.
Таким физиком-любителем был настоятель Кафедрального собора в прусском городе Каммине фон Клейст. Он заряжал электричеством обычную воду в стеклянной банке через железный штырь (массивный гвоздь) в пробке банки. Важно было то, что банка при этом стояла на железной тарелке, то есть Клейстом была создана принципиальная схема конденсатора — два электрода (гвоздь и тарелка) и слой диэлектрика между ними (стекло и вода). Клейст по ощущениям прекрасно знал, какой силы ток дает его генератор, но когда он взялся за гвоздь в банке, его тряхнуло током гораздо чувствительнее. Было ясно, что банка копит, конденсирует электричество.
Клейст разослал письма о своем открытии коллегам, профессиональным физикам, в том числе в Лейденский университет, свою альма-матер. Там Питер ван Мушенбрук в 1746 голу сконструировал свой конденсатор. Это тоже была банка, но электродами в ней были не гроздь и подставка, а внутреннее и внешнее покрытие банки из слоев олова. Они были больше по площади и, соответственно, по электроемкости, чем у Клейста.
Лейденским конденсатором заинтересовался французский аббат Нолле, который тоже занимался физикой. Смастерив из таких конденсаторов целую батарею, он собрал две сотни монахов, велел им взять в руки по куску железной проволоки и создать живую цепь, а крайнему в ней монаху — дотронуться до провода конденсатора. Монахов дернуло током, а так как они дернулись все одновременно, аббат сделал научный вывод, что скорость тока велика. Потом этот опыт, только на мушкетерах, Нолле провел для короля Людовика XV. По воспоминаниям современников, король сильно смеялся, а первые конденсаторы с легкой руки аббата Нолле стали называть лейденскими банками.
Про приоритет Клейста забыли, сам он не стал его отстаивать, в том же 1745 году дел у него прибавилось, он стал президентом Королевского суда справедливости (апелляционного суда), а через три года умер.
Лейденская банка. Виды и устройство. Работа и применение
Лейденская банка – это первый в своем роде электрический конденсатор, который появился на свет благодаря стараниям немецких и голландских ученых. В 1745 году подобную банку смастерил Эвальд Георг фон Клейст. Через год подобное устройство, но с некоторыми отличиями, создали в Лейденском университете. Этим устройством заинтересовался аббат Нолле из Франции, который продемонстрировал его королю. Именно благодаря демонстрации первая конструкция электрического конденсатора получила название банка из Лейдена.
До изобретения этой банки ученые вырабатывали электричество с помощью диэлектриков в виде стекла или янтаря, а также электростатических генераторов. Клейст решил провести эксперимент, зарядив электрическим зарядом воду в банке посредством штыря из железа. В то же время банка находилась на металлической тарелке. Проведя опыты, он понял, что в банке конденсируется электрический ток.
Лейденская банка почти всегда имела одно и то же строение. Однако конструкция банки с течением времени усовершенствовалась:
- Изначально вода в ней была заменена на дробь.
- Затем в качестве наружной поверхности стали использоваться тонкие пластины из свинца.
- В последующем вместо пластин из свинца стали применяться листы из оловянной фольги.
Одним из вариантов устройства была батарейка лейденских бутылок, которые имели проводящую жидкость. В них были вставлены стержневые выводы, которые соединялись между собой. Сосуды соединяются с помощью общего вывода, вследствие чего получался большой конденсатор. Это устройство было изобретено Павлом Николаевичем Яблочковым. Указанные блоки можно было соединять последовательно либо параллельно. Конструкция в виде блоков в итоге получила довольно обширное применение в различных отраслях промышленности.
Устройство
Это сосуд из стекла, внутри и снаружи покрытый фольгированным листом. Посредством пробки из резины в сосуд вставляется стержень из металла таким образом, что он касается фольги, расположенной внутри банки. В результате листы фольги, расположенные внутри и снаружи, играют роль электродов при подсоединении их к наружному источнику электроэнергии. Для этого может быть использована батарейка, какой-нибудь аккумулятор, либо палка из эбонита, которую заранее потерли о мех.
Лейденская банка напоминала закрутку. Сверху накручивалась крышка из металла, которая входила в электрод. Через некоторое время банки объединялись с батареями, после чего их помещали в один ящик.
Эти устройства применялись порядка 150 лет. Так как везде был распространен постоянный ток, то не было необходимости изобретать что-то еще. Поэтому в основном довольствовались банками, чтобы обеспечить работу применявшихся в то время телеграфов.
Принцип действия
Лейденская банка имеет принцип действия, свойственный обычному электрическому конденсатору. Основное достоинство банки перед конденсаторами пластинчатого вида кроется в довольно большой поверхности, а также в наличии замкнутого контура при разных и одинаковых параметрах. В качестве источника заряда для банки может применяться батарея, аккумулятор либо другое устройство. Электрический заряд способна выдавать и палочка из эбонита, которая заранее была потерта о шерстяной материал. Она имеет свободные электроны.
При соприкосновении стержня из металла с крышкой сосуда электроны перемещаются от палочки на поверхность внутреннего электрода. В результате отрицательные заряды накапливаются на внутреннем электроде, так как банка имеет ограниченную способность к накоплению зарядов. В виду взаимного отталкивания не весь электрический заряд может перейти на электрод. Возможность накапливания или удерживания заряда как раз и зовется емкостью.
Емкость увеличивается благодаря присутствию второго электрода, который расположен на внешних стенках банки. При заземлении этого электрода, заряд который накапливается внутри, может притягивать с поверхности земли плюсовой заряд, равный такой же величине. Плюсовой заряд на электроде внутри банки притягивает отрицательные электроны, что приводит к частичному сдерживанию сил отталкивания. В результате можно несколько увеличить емкость банки.
Емкость может быть увеличена двумя способами:
- Повышение площади электродов, что позволит рассредоточить заряды, а также снизить взаимно отталкивающие силы.
- Можно также снизить толщину стенки банки. Однако необходимо понимать, что если оставить излишне тонкое стекло, то заряды будут рассеиваться.
Другим способом является подбор изоляционных материалов.
Применение
Лейденская банка считается одним из самых важных изобретений, что дало толчок к дальнейшему изучению электричества. Благодаря этому стали изучаться электропроводящие свойства многих материалов. Именно при помощи этой банки была получена электрическая искра искусственным путем. Сегодня банка в большинстве случаев используется лишь для демонстраций в виде элемента электрофорной машины. Ее заменили устройства в виде современных конденсаторов, которые отличаются большей емкостью и удобством использования.
Тем не менее, использование данного вида конденсатора позволяет наглядно продемонстрировать, как работает это устройство. Но банка имеет определенные ограничения по хранению электронов. Вызвано это не идеальностью применяемых изоляционных материалов. В то же время электроэнергия в такой банке может храниться достаточно долгое время, если отключить ее от цепи.
Благодаря изобретению банки удалось установить влияние элктроразрядов на человека. В результате появилась электромедицина. Именно в этой области стали широко применяться банки для проведения экспериментов и лечения человека. Банки использовались для телеграфов, ведь они давали необходимый сигнал. Устройство заряжалось вручную. Выяснилось, что устройства большего объема могли обеспечивать более сильный разряд.
При этом имелась и определенная зависимость от толщины стекла. При применении банок с тонкими стеклами можно было получать разряд на порядок сильнее, чем с толстыми стеклами. Именно благодаря изучению силы электрического удара появились плоские конденсаторы.
Лейденская банка своими руками
Сегодня подобную банку можно смастерить самостоятельно и в довольно короткие сроки. Для этого потребуется банка из пластмассы, пластина из жести, которой припаивается изолированный провод, фильтровальная бумага, уголь активированный, соленая вода, а также крышка с выводом-контактом. Пластина помещается на дно банки, конец провода выводится наверх. Закрывается бумагой и слоем угля. Наливается вода, а банка закрывается крышкой с выводом. В результате банка будет иметь два изолированных провода. При подведении напряжения появится эффект конденсации.
История конденсаторов часть 1: первые открытия
История конденсаторов начинается вместе с первыми попытками изучения электричества. Я уподобляю их первым шагам авиации, когда люди изготавливали самолёты из дерева и ткани и пытались подпрыгнуть вверх, в воздух, не понимая в аэродинамике достаточно для того, чтобы понять, как остаться наверху. В изучении электричества был похожий период. Ко времени открытия конденсатора наше понимание было настолько примитивным, что считалось, будто электричество представляет собой жидкость, существующую в двух формах – стеклообразной и смолистой. И, как вы увидите дальше, всё поменялось в ранние годы развития конденсаторов.
История берёт начало в 1745 году. В то время электричество можно было создавать только электростатическим генератором. Стеклянный шар вращался со скоростью нескольких сотен оборотов в минуту, а экспериментатор прикасался к нему руками. Накопленное на нём электричество можно было разрядить. Сегодня мы называем этот эффект трибоэлектрическим – тут вы можете увидеть, как с его помощью можно запитать LCD-экран.
В 1745-м Эвальд Юрген фон Клейст из Померании (Германия) попробовал хранить электричество в алкоголе, решив, что может перевести электричество по проводнику от генератора в стеклянный медицинский сосуд. Поскольку электричество считалось жидкостью, такой подход выглядел разумным. Он считал, что стекло помешает электрической жидкости убежать из алкоголя. Он делал это примерно так же, как показано на картинке, пропустив гвоздь через пробку и опустив его в алкоголь, держа стеклянную бутылку одной рукой. О важной роли руки он в тот момент не догадывался. Фон Клейст обнаружил, что может получить искру, если прикоснётся к проводу, более мощную, чем если бы он использовал только один генератор.
Он сообщил о своём открытии группе немецких учёных в конце 1745 года, и новости дошли до Лейденского университета в Нидерландах, но по пути были перевраны. В 1746 Питер ван Мушенбрук со своим студентом Андреасом Кунэусом удачно повторил эксперимент, только с водой. Мушенбрук сообщил широкой французской научной общественности о результатах эксперимента. Считается, что Мушенбрук сделал это открытие независимо. Но это было только началом.
Жан-Антуан Ноле (известный также как аббат Ноле), французский экспериментатор, окрестил сосуд Лейденским и продавал его как особый вид бутылей богатым людям, интересовавшимся наукой.
Именно в Лейденском университете обнаружили, что эксперимент работает, только если держать контейнер рукой, а не поддерживать его изолирующим материалом.
Сегодня мы понимаем, что жидкость, контактировавшая со стеклом, работала как одна пластина конденсатора, а рука – как другая, стекло же было диэлектриком. Источником высокого напряжения был генератор, а рука и тело обеспечивали заземление.
Даниэль Гралат, физик и мэр Гданьска (Польша) первым объединил несколько сосудов параллельно, чем увеличил количество хранимого заряда. В 1740-х и 1750-х Бенджамин Франклин на территории, вскоре превратившейся в Соединённые Штаты Америки, также экспериментировал с лейденскими банками и назвал коллекцию из нескольких банок батареей, из-за сходства с батареей орудий.
батарея Лейденских банок
разбираем банку
разобранная банка
Франклин экспериментировал с водой в бутылках и с фольгой, выстилавшей бутылки, и решил, что заряд хранится в стекле, а не в воде. Он работал с разборными лейденскими банками, у которых внешняя и внутренняя фольга снималась со стекла. Позже было доказано, что он неправ. Франклин работал с гигроскопичным стеклом, и когда он убирал фольгу, заряд перемещался через коронный разряд во влагу в стекле. Если использовать ёмкость из твёрдого парафина или закалённого стекла, заряд остаётся на металлических пластинах. Существует ещё один эффект, диэлектрическое поглощение, происходящий из-за диполей в диэлектрике, в результате которого конденсатор сохраняет заряд даже после закорачивания пластин.
Франклин работал с плоскими стеклянными пластинами, с фольгой с обеих сторон, описав конструкцию из нескольких таких конденсаторов в одном из писем.
Примерно в то же время другие эксперименты Франклина показали, что за переноску заряда отвечает лишь одна субстанция, хотя её по-прежнему считали жидкостью – открытию электрона суждено было случиться только в районе 1800 года. Он обнаружил, что в заряженном объекте имеется либо избыток этой «жидкости», либо недостаток. Это опровергло гипотезу о двух видах электричества.
В 1776 году Алессандро Вольта, работая с различными методами измерения электрического потенциала, или напряжения (V) и заряда (Q), открыл, что для заданного объекта V и Q пропорциональны, назвав это “законом ёмкости”. Благодаря этому исследованию единицу напряжения назвали в его честь.
Термин «конденсатор» не использовался до 1920-х. Долгое время их называли конденсорами, и до сих пор называют так в некоторых странах и для некоторых целей [например, у нас – по-английски их зовут «capacitor» от слова «capacity» – «ёмкость» / прим. перев.]. Термин конденсор был предложен Вольтой в 1782 году, и происходил он от итальянского condensatore. Название обозначало возможность устройства хранить большую плотность заряда, чем изолированный проводник.
Аппарат Фарадея
В 1830-х Майкл Фарадей проводил эксперименты, определившие, что материал, находящийся между пластинами конденсатора, влияет на количество заряда, сохраняющегося на пластинах. Он экспериментировал со сферическими конденсаторами – две концентрические металлические сферы, между которыми мог быть воздух, стекло, воск, шеллак (смола) или другие материалы. Используя крутильные весы Кулона, он измерял заряд конденсатора, когда в промежутке между сферами был воздух. Затем, сохраняя напряжение без изменений, он измерял заряд, заполняя промежуток другими материалами. Он обнаружил, что заряд был больше, если вместо воздуха использовались другие материалы. Он назвал это особой индуктивной ёмкостью, и из-за этой его работы единицы ёмкости называют фарадами.
Термин «диэлектрик» впервые был использован в письме от Уильяма Уивела к Фарадею, где он описывал, как Фарадей придумал термин «димагнетик» по аналогии с «диэлекриком», и что наверно нужно было бы использовать термин «диамагнетник», но тогда было бы неудобно использовать термин «диаэлектрик» из-за трёх гласных подряд.
Генератор Уимсхёрста
Лейденские банки и конденсаторы, изготовленные из плоского стекла и фольги, использовались для искровых передатчиков и медицинской электротерапии до конца 18 века. С изобретением радио конденсаторы стали постепенно принимать современный вид, в основном из-за необходимости уменьшения индуктивности, для работы на высоких частотах. Мелкие конденсаторы делали из гибких листов диэлектрика, таких, как промасленная бумага, часто закрученная, с фольгой с двух сторон. История современных конденсаторов описывается отдельным постом.
Интересно, что ранние конденсаторы очень похожи на самоделки, и некоторые действительно делались энтузиастами. Лейденские банки и сейчас используются любителями высоких напряжений, как в этом генераторе Уимсхёрста, напечатанном на 3D-принтере, и как в этом развлечении с «банкой смерти».
Электричество в банке
11 октября 1745 года Эвальд Георг фон Клейст сделал первый электрический конденсатор
Год спустя конденсатор был создан в Лейденском университете и вошел в историю науки как лейденская банка. Внешне он немного отличался от конденсатора Клейста, но их принципиальная конструкция была идентичной.
В XVIII веке ученые, как и в античные времена, получали электричество трением янтаря, стекла, серы и других диэлектриков, но уже в больших масштабах благодаря изобретению электростатических генераторов в виде крутящегося стеклянного шара или диска с механическим приводом и щетками для его натирания. Генератор электричества мог смастерить любой физик-любитель.
Таким физиком-любителем был настоятель Кафедрального собора в прусском городе Каммине фон Клейст. Он заряжал электричеством обычную воду в стеклянной банке через железный штырь (массивный гвоздь) в пробке банки. Важно было то, что банка при этом стояла на железной тарелке, то есть Клейстом была создана принципиальная схема конденсатора — два электрода (гвоздь и тарелка) и слой диэлектрика между ними (стекло и вода). Клейст по ощущениям прекрасно знал, какой силы ток дает его генератор, но когда он взялся за гвоздь в банке, его тряхнуло током гораздо чувствительнее. Было ясно, что банка копит, конденсирует электричество.
Клейст разослал письма о своем открытии коллегам, профессиональным физикам, в том числе в Лейденский университет, свою альма-матер. Там Питер ван Мушенбрук в 1746 голу сконструировал свой конденсатор. Это тоже была банка, но электродами в ней были не гроздь и подставка, а внутреннее и внешнее покрытие банки из слоев олова. Они были больше по площади и, соответственно, по электроемкости, чем у Клейста.
Лейденским конденсатором заинтересовался французский аббат Нолле, который тоже занимался физикой. Смастерив из таких конденсаторов целую батарею, он собрал две сотни монахов, велел им взять в руки по куску железной проволоки и создать живую цепь, а крайнему в ней монаху — дотронуться до провода конденсатора. Монахов дернуло током, а так как они дернулись все одновременно, аббат сделал научный вывод, что скорость тока велика. Потом этот опыт, только на мушкетерах, Нолле провел для короля Людовика XV. По воспоминаниям современников, король сильно смеялся, а первые конденсаторы с легкой руки аббата Нолле стали называть лейденскими банками.
Про приоритет Клейста забыли, сам он не стал его отстаивать, в том же 1745 году дел у него прибавилось, он стал президентом Королевского суда справедливости (апелляционного суда), а через три года умер.
Лейденская банка. Виды и устройство. Работа и применение
Лейденская банка – это первый в своем роде электрический конденсатор, который появился на свет благодаря стараниям немецких и голландских ученых. В 1745 году подобную банку смастерил Эвальд Георг фон Клейст. Через год подобное устройство, но с некоторыми отличиями, создали в Лейденском университете. Этим устройством заинтересовался аббат Нолле из Франции, который продемонстрировал его королю. Именно благодаря демонстрации первая конструкция электрического конденсатора получила название банка из Лейдена.
До изобретения этой банки ученые вырабатывали электричество с помощью диэлектриков в виде стекла или янтаря, а также электростатических генераторов. Клейст решил провести эксперимент, зарядив электрическим зарядом воду в банке посредством штыря из железа. В то же время банка находилась на металлической тарелке. Проведя опыты, он понял, что в банке конденсируется электрический ток.
Лейденская банка почти всегда имела одно и то же строение. Однако конструкция банки с течением времени усовершенствовалась:
- Изначально вода в ней была заменена на дробь.
- Затем в качестве наружной поверхности стали использоваться тонкие пластины из свинца.
- В последующем вместо пластин из свинца стали применяться листы из оловянной фольги.
Одним из вариантов устройства была батарейка лейденских бутылок, которые имели проводящую жидкость. В них были вставлены стержневые выводы, которые соединялись между собой. Сосуды соединяются с помощью общего вывода, вследствие чего получался большой конденсатор. Это устройство было изобретено Павлом Николаевичем Яблочковым. Указанные блоки можно было соединять последовательно либо параллельно. Конструкция в виде блоков в итоге получила довольно обширное применение в различных отраслях промышленности.
Устройство
Это сосуд из стекла, внутри и снаружи покрытый фольгированным листом. Посредством пробки из резины в сосуд вставляется стержень из металла таким образом, что он касается фольги, расположенной внутри банки. В результате листы фольги, расположенные внутри и снаружи, играют роль электродов при подсоединении их к наружному источнику электроэнергии. Для этого может быть использована батарейка, какой-нибудь аккумулятор, либо палка из эбонита, которую заранее потерли о мех.
Лейденская банка напоминала закрутку. Сверху накручивалась крышка из металла, которая входила в электрод. Через некоторое время банки объединялись с батареями, после чего их помещали в один ящик.
Эти устройства применялись порядка 150 лет. Так как везде был распространен постоянный ток, то не было необходимости изобретать что-то еще. Поэтому в основном довольствовались банками, чтобы обеспечить работу применявшихся в то время телеграфов.
Принцип действия
Лейденская банка имеет принцип действия, свойственный обычному электрическому конденсатору. Основное достоинство банки перед конденсаторами пластинчатого вида кроется в довольно большой поверхности, а также в наличии замкнутого контура при разных и одинаковых параметрах. В качестве источника заряда для банки может применяться батарея, аккумулятор либо другое устройство. Электрический заряд способна выдавать и палочка из эбонита, которая заранее была потерта о шерстяной материал. Она имеет свободные электроны.
При соприкосновении стержня из металла с крышкой сосуда электроны перемещаются от палочки на поверхность внутреннего электрода. В результате отрицательные заряды накапливаются на внутреннем электроде, так как банка имеет ограниченную способность к накоплению зарядов. В виду взаимного отталкивания не весь электрический заряд может перейти на электрод. Возможность накапливания или удерживания заряда как раз и зовется емкостью.
Емкость увеличивается благодаря присутствию второго электрода, который расположен на внешних стенках банки. При заземлении этого электрода, заряд который накапливается внутри, может притягивать с поверхности земли плюсовой заряд, равный такой же величине. Плюсовой заряд на электроде внутри банки притягивает отрицательные электроны, что приводит к частичному сдерживанию сил отталкивания. В результате можно несколько увеличить емкость банки.
Емкость может быть увеличена двумя способами:
- Повышение площади электродов, что позволит рассредоточить заряды, а также снизить взаимно отталкивающие силы.
- Можно также снизить толщину стенки банки. Однако необходимо понимать, что если оставить излишне тонкое стекло, то заряды будут рассеиваться.
Другим способом является подбор изоляционных материалов.
Применение
Лейденская банка считается одним из самых важных изобретений, что дало толчок к дальнейшему изучению электричества. Благодаря этому стали изучаться электропроводящие свойства многих материалов. Именно при помощи этой банки была получена электрическая искра искусственным путем. Сегодня банка в большинстве случаев используется лишь для демонстраций в виде элемента электрофорной машины. Ее заменили устройства в виде современных конденсаторов, которые отличаются большей емкостью и удобством использования.
Тем не менее, использование данного вида конденсатора позволяет наглядно продемонстрировать, как работает это устройство. Но банка имеет определенные ограничения по хранению электронов. Вызвано это не идеальностью применяемых изоляционных материалов. В то же время электроэнергия в такой банке может храниться достаточно долгое время, если отключить ее от цепи.
Благодаря изобретению банки удалось установить влияние элктроразрядов на человека. В результате появилась электромедицина. Именно в этой области стали широко применяться банки для проведения экспериментов и лечения человека. Банки использовались для телеграфов, ведь они давали необходимый сигнал. Устройство заряжалось вручную. Выяснилось, что устройства большего объема могли обеспечивать более сильный разряд.
При этом имелась и определенная зависимость от толщины стекла. При применении банок с тонкими стеклами можно было получать разряд на порядок сильнее, чем с толстыми стеклами. Именно благодаря изучению силы электрического удара появились плоские конденсаторы.
Лейденская банка своими руками
Сегодня подобную банку можно смастерить самостоятельно и в довольно короткие сроки. Для этого потребуется банка из пластмассы, пластина из жести, которой припаивается изолированный провод, фильтровальная бумага, уголь активированный, соленая вода, а также крышка с выводом-контактом. Пластина помещается на дно банки, конец провода выводится наверх. Закрывается бумагой и слоем угля. Наливается вода, а банка закрывается крышкой с выводом. В результате банка будет иметь два изолированных провода. При подведении напряжения появится эффект конденсации.