Лейденская банка ( или банка Лейдена , или архаично, банка Клейста ) — это электрический компонент , который хранит электрический заряд высокого напряжения (от внешнего источника) между электрическими проводниками внутри и снаружи стеклянной банки. Обычно она состоит из стеклянной банки с металлической фольгой, приклеенной к внутренней и внешней поверхностям, и металлического вывода, выступающего вертикально через крышку банки для контакта с внутренней фольгой. Это была первоначальная форма конденсатора [ 1] (также называемого конденсатором ). [2]
Его изобретение было открытием, сделанным независимо немецким священнослужителем Эвальдом Георгом фон Клейстом 11 октября 1745 года и голландским ученым Питером ван Мушенбруком из Лейдена (Нидерланды) в 1745–1746 годах. [3]
Лейденская банка использовалась для проведения многих ранних экспериментов по электричеству, и ее открытие имело фундаментальное значение в изучении электростатики . Это было первое средство накопления и сохранения электрического заряда в больших количествах, который мог быть разряжен по желанию экспериментатора, тем самым преодолевая существенное ограничение ранних исследований электропроводности. [4] Лейденские банки до сих пор используются в образовании для демонстрации принципов электростатики.
Древние греки уже знали, что кусочки янтаря могут притягивать легкие частицы после трения. Янтарь электризуется за счет трибоэлектрического эффекта , механического разделения заряда в диэлектрическом материале. Греческое слово для янтаря - ἤλεκτρον («ēlektron»), и от него произошло слово «электричество». [5] Считается, что Фалес Милетский , досократовский философ , случайно прокомментировал явление электростатического заряда из-за своей веры в то, что даже безжизненные вещи имеют в себе душу, отсюда и популярная аналогия с искрой. [6] Около 1650 года Отто фон Герике построил грубый электростатический генератор : серный шар, вращавшийся на валу. Когда Герике держал руку против шара и быстро вращал вал, накапливался статический электрический заряд . Этот эксперимент вдохновил на разработку нескольких форм «машин трения», которые значительно помогли в изучении электричества.
Георг Маттиас Бозе (22 сентября 1710 г. – 17 сентября 1761 г.) был известным экспериментатором в области электричества на заре развития электростатики. Ему приписывают то, что он первым разработал способ временного хранения статических зарядов с помощью изолированного проводника (называемого первичным проводником). Его демонстрации и эксперименты повысили интерес немецкого научного сообщества и общественности к развитию электрических исследований.
Лейденская банка была фактически открыта независимо двумя людьми: немецким деканом Эвальдом Георгом фон Клейстом , который сделал первое открытие, и голландскими учеными Питером ван Мушенбруком и Андреасом Кунеусом, которые выяснили, почему она работала только тогда, когда ее держали в руке. [7]
Эвальд Георг фон Клейст был деканом собора Каммина в Померании , регионе, который сейчас разделен между Германией и Польшей. Фон Клейсту приписывают первое использование жидкостной аналогии для электричества , и он продемонстрировал это Бозе, высекая искры из воды своим пальцем. [8] Он открыл огромную способность лейденской банки хранить электроэнергию, пытаясь продемонстрировать, что стеклянная банка, наполненная спиртом, «захватит» эту жидкость. [9]
В октябре 1745 года фон Клейст попытался аккумулировать электричество в небольшой медицинской бутылочке, наполненной спиртом, с гвоздем, вставленным в пробку. Он продолжил эксперимент, разработанный Георгом Маттиасом Бозе , в котором электричество пропускалось через воду, чтобы поджечь алкогольные напитки. Он попытался зарядить бутылочку от большого первичного проводника (изобретенного Бозе), подвешенного над его фрикционной машиной.
Фон Клейст знал, что стекло будет препятствовать утечке «жидкости», и поэтому был убежден, что в нем можно собрать и удержать значительный электрический заряд. Он получил сильный удар током от устройства, когда случайно коснулся гвоздем пробки, все еще держа бутылку в другой руке. Он сообщил о своих результатах по крайней мере пяти различным экспериментаторам с электричеством [10] в нескольких письмах с ноября 1745 по март 1746 года, но не получил никакого подтверждения того, что они повторили его результаты, до апреля 1746 года. [11] Польско-литовский физик Даниэль Гралат узнал об эксперименте фон Клейста, увидев письмо фон Клейста Паулю Свентлицкому, написанное в ноябре 1745 года. После неудачной первой попытки Гралата воспроизвести эксперимент в декабре 1745 года он написал фон Клейсту за дополнительной информацией (и получил ответ, что эксперимент будет работать лучше, если использовать трубку, наполовину заполненную спиртом). Гралату (в сотрудничестве с Готфридом Рейгером ) удалось добиться желаемого эффекта 5 марта 1746 года, держа в одной руке небольшой стеклянный флакон с лекарством с гвоздем внутри, поднося его близко к электростатическому генератору, а затем поднося другую руку близко к гвоздю. [12] Фон Клейст не понимал значения своей руки-проводника, держащей флакон, и он, и его корреспонденты не хотели держать устройство, когда им говорили, что удар может отбросить их через всю комнату. Прошло некоторое время, прежде чем студенты-соратники фон Клейста в Лейдене поняли, что рука является существенным элементом. [ необходима цитата ]
Изобретение лейденской банки долгое время приписывалось Питеру ван Мушенбруку , профессору физики в Лейденском университете , который также владел семейным литейным заводом , где отливали латунные канонеты, и небольшим предприятием ( De Oosterse Lamp – «Восточная лампа»), где изготавливались научные и медицинские приборы для новых университетских курсов по физике и для ученых, стремящихся создать собственные «кабинеты» редкостей и инструментов .
Как и фон Клейст, Мюссенбрук также интересовался экспериментом Бозе и пытался его повторить. [13] В это время Андреас Кунеус, юрист, узнал об этом эксперименте от Мюссенбрука и попытался повторить эксперимент дома с помощью предметов домашнего обихода. [14] Не зная о «правиле Дюфаи », согласно которому экспериментальный аппарат должен быть изолирован, Кюнеус держал банку в руке, заряжая ее, и таким образом был первым, кто обнаружил, что такая экспериментальная установка может вызывать сильный удар током . [14] [15] Он сообщил о своей процедуре и опыте швейцарско-голландскому натурфилософу Жану-Николя-Себастьяну Алламанду , коллеге Мюссенбрука. Алламан и Мюссенбрук также получили сильные удары током. Мюссенбрук сообщил об эксперименте в письме от 20 января 1746 года французскому энтомологу Рене Антуану Фершо де Реомюру , который был назначенным корреспондентом Мюссенбрука в Парижской академии . Аббат Жан-Антуан Нолле прочитал этот отчет, подтвердил эксперимент, а затем зачитал письмо Мюссенбрука на публичном заседании Парижской академии в апреле 1746 года [14] (перевод с латыни на французский). [16]
Торговой точкой Мушенбрука во Франции для продажи «шкафных» устройств его компании был аббат Нолле (который начал создавать и продавать дубликаты инструментов в 1735 году [17] ). Затем Нолле дал электрическому устройству для хранения энергии название «лейденская банка» и продвигал его как особый тип колбы для своего рынка состоятельных людей с научным любопытством. Поэтому «кубок Клейста» продвигался как лейденская банка и как открытый Питером ван Мушенбруком и его знакомым Андреасом Кунеусом. Мушенбрук, однако, никогда не утверждал, что он изобрел его, [14] и некоторые считают, что Кунеус был упомянут только для того, чтобы принизить его заслуги. [18]
В течение нескольких месяцев после доклада Мушенбрука о том, как надежно создать лейденскую банку, другие исследователи электричества изготавливали и экспериментировали со своими собственными лейденскими банками. [19] Одним из его выраженных первоначальных интересов было выяснить, можно ли увеличить общий возможный заряд. [20]
Иоганн Генрих Винклер , чей первый опыт с одной лейденской банкой был описан в письме Королевскому обществу 29 мая 1746 года, соединил три лейденские банки вместе в своего рода электростатическую батарею 28 июля 1746 года. [21] В 1746 году аббат Нолле провел два эксперимента для назидания короля Франции Людовика XV , в первом из которых он разрядил лейденскую банку через 180 королевских гвардейцев , а во втором — через большее количество монахов-картезианцев ; все они подпрыгнули в воздух более или менее одновременно. Мнения ни короля, ни подопытных не были зафиксированы. [22] [ нужна страница ]
В 1747 году Дэниел Гралат сообщил, что в 1746 году он проводил эксперименты с соединением двух или трех банок, вероятно, последовательно . [21]
В 1746–1748 годах Бенджамин Франклин экспериментировал с последовательной зарядкой лейденских банок [23] и разработал систему, включающую 11 стеклянных панелей с тонкими свинцовыми пластинами, приклеенными с каждой стороны, а затем соединенными вместе. Он использовал термин «электрическая батарея» для описания своей электростатической батареи в письме 1749 года о своих электрических исследованиях в 1748 году. [24] [25] Возможно, что выбор Франклином слова « батарея» был вдохновлен юмористической игрой слов в конце его письма, где он, среди прочего, писал о салюте исследователям-электрикам от батареи пушек . [26] Это первое зарегистрированное использование термина « электрическая батарея» . [21] Многочисленные и быстрые разработки в области соединения лейденских банок в период 1746–1748 гг. привели к появлению множества расходящихся отчетов во вторичной литературе о том, кто создал первую «батарею», соединив лейденские банки, были ли они соединены последовательно или параллельно, и кто первым использовал термин «батарея». [21] Позднее этот термин использовался для обозначения комбинаций нескольких электрохимических ячеек, что является современным значением термина «батарея».
Шведский физик, химик и метеоролог Торберн Бергман перевел большую часть трудов Бенджамина Франклина об электричестве на немецкий язык и продолжил изучать электростатические свойства. [27]
Начиная с конца 1756 года Франц Эпинус , в сложном сочетании независимой работы и сотрудничества с Иоганном Вильке , [28] разработал «воздушный конденсатор», вариацию лейденской банки, используя в качестве диэлектрика воздух, а не стекло. Этот функционирующий аппарат, без стекла, создал проблему для объяснения Бенджамином Франклином лейденской банки, который утверждал, что заряд находится в стекле. [29]
Типичная конструкция состоит из стеклянной банки с проводящей оловянной фольгой, покрывающей внутреннюю и внешнюю поверхности. Покрытия из фольги не доходят до горлышка банки, чтобы предотвратить возникновение дуги между фольгой. Металлический стержневой электрод выступает через непроводящую пробку у горлышка банки, электрически соединенный каким-либо образом (обычно подвесной цепью) с внутренней фольгой, чтобы позволить ей заряжаться. Банка заряжается электростатическим генератором или другим источником электрического заряда, подключенным к внутреннему электроду, в то время как внешняя фольга заземлена . Внутренняя и внешняя поверхности банки хранят равные, но противоположные заряды. [30]
Первоначальная форма устройства представляет собой стеклянную бутылку, частично заполненную водой, с металлической проволокой, проходящей через пробку, закрывающую ее. Роль внешней пластины выполняет рука экспериментатора. Вскоре Джон Бевис обнаружил (в 1747 году), что можно покрыть внешнюю часть банки металлической фольгой, и он также обнаружил, что может достичь того же эффекта, используя стеклянную пластину с металлической фольгой с обеих сторон. [31] Эти разработки вдохновили Уильяма Уотсона в том же году сделать банку с металлической фольгой как внутри, так и снаружи, отказавшись от использования воды. [31] [32]
Ранние экспериментаторы (например, Бенджамин Уилсон в 1746 году) сообщали, что чем тоньше диэлектрик и больше поверхность, тем больше заряд, который может быть накоплен. [33]
Дальнейшие разработки в области электростатики показали, что диэлектрический материал не является существенным, но увеличивает способность хранения ( емкость ) и предотвращает возникновение дуги между пластинами. Две пластины, разделенные небольшим расстоянием, также действуют как конденсатор, даже в вакууме .
Первоначально считалось, что заряд хранится в воде в ранних лейденских банках. В 1700-х годах американский государственный деятель и ученый Бенджамин Франклин провел обширные исследования как заполненных водой, так и фольгированных лейденских банок, что привело его к выводу, что заряд хранится в стекле, а не в воде. Популярный эксперимент, принадлежащий Франклину, который, по-видимому, демонстрирует это, заключается в том, чтобы разобрать банку после того, как она была заряжена, и показать, что на металлических пластинах можно найти небольшой заряд, и, следовательно, он должен быть в диэлектрике . Первый задокументированный случай этой демонстрации содержится в письме Франклина 1749 года. [34] Франклин сконструировал «разбираемую» лейденскую банку (справа) , которая широко использовалась в демонстрациях. Банка сделана из стеклянной чашки, вложенной между двумя довольно плотно прилегающими металлическими чашками. Когда банка заряжается высоким напряжением и аккуратно разбирается, обнаруживается, что со всеми частями можно свободно обращаться, не разряжая банку. Если собрать детали заново, то все равно можно получить большую искру .
Эта демонстрация, по-видимому, предполагает, что конденсаторы хранят свой заряд внутри своего диэлектрика. Эта теория преподавалась на протяжении 1800-х годов. Однако это явление является особым эффектом, вызванным высоким напряжением на лейденской банке. [35] В разборной лейденской банке заряд переносится на поверхность стеклянной чашки коронным разрядом , когда банка разбирается; это источник остаточного заряда после повторной сборки банки. Обращение с чашкой в разобранном виде не обеспечивает достаточного контакта для удаления всего поверхностного заряда. Натриевое стекло гигроскопично и образует частично проводящее покрытие на своей поверхности, которое удерживает заряд. [35] Адденбрук (1922) обнаружил, что в разборной банке , сделанной из парафинового воска или стекла, обожженного для удаления влаги, заряд оставался на металлических пластинах. [36] Зелени (1944) подтвердил эти результаты и наблюдал передачу заряда коронным разрядом. [37]
Если заряженную лейденскую банку разрядить, закоротив внутреннее и внешнее покрытие, и оставить на несколько минут, банка восстановит часть своего предыдущего заряда, и из нее можно будет получить вторую искру. [38] Часто это можно повторять, и можно получить серию из 4 или 5 искр, уменьшающихся по длине, с интервалами. Этот эффект вызван диэлектрической абсорбцией . [39]
Лейденская банка — это высоковольтное устройство; предполагается, что первые лейденские банки могли быть заряжены максимум до 20 000–60 000 вольт . [40] Центральный стержневой электрод имеет металлический шарик на конце, чтобы предотвратить утечку заряда в воздух посредством коронного разряда . Впервые он использовался в электростатических экспериментах, а затем в высоковольтном оборудовании, таком как радиопередатчики с искровым зазором и электротерапевтические аппараты.
Первоначально величина емкости измерялась в количестве « банок » заданного размера или через общую покрытую площадь, предполагая разумно стандартную толщину и состав стекла. Типичная лейденская банка размером в одну пинту имеет емкость около 1 нФ .
Начиная с конца XVIII века его стали использовать в медицинской электротерапии для лечения различных заболеваний электрическим током. К середине XIX века лейденская банка стала достаточно распространенной, чтобы авторы могли предположить, что их читатели знают и понимают ее основные принципы работы. [ необходима цитата ] На рубеже веков ее начали широко использовать в искровых передатчиках и медицинском электротерапевтическом оборудовании.
Развитие новой технологии радио в начале 20 века способствовало уменьшению размера лейденских банок, а также уменьшению нежелательной индуктивности и сопротивления . Эти усовершенствования вместе с улучшенными диэлектриками привели к тому, что лейденская банка превратилась в современную компактную форму конденсатора .
Происхождение и этимология слова
electric
: Новое латинское
electricus
'производимый из янтаря трением, электрический', от средневекового латинского 'янтаря', от латинского
electrum
'янтарь, электрум', от греческого
ēlektron
; родственно греческому
ēlektōr
'сияющее солнце'. Первое известное использование: 1722 г.
