Вопрос 7. Что вы знаете о Лейденской банке?
7 F 4
Опыт Мушенбрука:
Лейденская банка - первый электрический конденсатор,
изобретённый голландскими учёными Мушенбреком и его учеником Кюнеусом в 1745 в Лейдене.
Диэлектриком в этом конденсаторе служило стекло сосуда, а обкладками - вода в сосуде и ладонь экспериментатора, которая держала сосуд. Выводом внутренней обкладки служил металлический проводник, пропущенный в сосуд и погруженный в воду.
Как и многие изобретения, это стало кульминацией эволюционного процесса, в данном случае, который объединил нити открытия, которые возникли 200 лет назад. Это было первое зарегистрированное наблюдение свойств электрического заряда. Это примитивное устройство повернуло шарик из серы. Когда фон Герике держал его за руку, мяч испускал искры статического электричества.
Лейденская банка из Королевского
Этот стеклянный флакон, частично заполненный водой и запечатанный пробкой, пронизанной гвоздем, был первым устройством, которое могло хранить электрический заряд. В банке накапливалось статическое электричество, касаясь гвоздя заряженным стержнем. Затем этот заряд был выпущен одним выстрелом, касаясь гвоздя заземленным объектом; когда ван Муссенбрук сделал это пальцем, огромных разрядов было достаточно, чтобы убить его.
О своих ощущениях ученый писал: « Медная проволока, конец которой был погружен в круглый стеклянный сосуд, отчасти наполненный водой, который я держал в правой руке, другой же рукой я пробовал извлечь искры из наэлектризованного ствола. Вдруг моя правая рука была поражена с такой силой, что все тело содрогнулось, как от удара молнии. Сосуд, хотя и из тонкого стекла, обыкновенно сотрясением этим не разбивается, но рука и все тело поражаются столь страшным образом, что и сказать не могу, одним словом, я думал, что пришел конец... »
Эксперименты с громоздкими грозами. В Америке Бенджамин Франклин экспериментировал с лейденской баночкой и задавался вопросом, являются ли трескные искры формой молнии, и, кроме того, молния была формой электричества. Он имел две тонкие металлические пластины, один из которых покрыт вулканитом, а другой - изолированной ручкой. Плата была создана путем протирания кошачьей шерсти по покрытой вулканитом плите. Второй диск использовался для переноса заряда в лейденскую банку, что позволяло строить очень большой заряд поэтапно.
Монахи держали один конец восьмиметровой железной проволоки в каждой руке и вместе, их соединительные провода образовали линию длиной более мили. С завершением линии аббат Жан Антуан Нолле, известный французский ученый, взял майку Лейдена и, без предупреждения, связал ее с линией монахов, давая им мощный электрический шок. Одновременные восклицания и изгибы линии длиной в милю показали, что электричество может передаваться на большом расстоянии; и, насколько мог рассказать Нолле, он мгновенно коснулся этого расстояния, предположив, что он может использоваться для отправки сообщений на большие расстояния несравненно быстрее, чем мог бы их послать человеческий посланник.
Выяснилось, что в сосудах того типа, о котором пишет Мушенбрек, электричество может накапливаться в весьма значительных количествах. Так была открыта прославленная впоследствии «лейденская банка» – простейший конденсатор.
Новость о лейденской банке с большой скоростью распространилась по Европе и не слишком просвещенной тогда Америке. Мушенбрек, и до того известный, стал лейденской достопримечательностью. С ним, в частности, познакомился Петр Великий, когда работал на верфях в Голландии. Позже Петр заказал для новой Академии наук различные приборы именно Мушенбреку «сделать повелеть»..
Луиджи Гальвани, итальянский анатомист и друг Вольты, использовал электрофору, чтобы исследовать влияние статического электричества на ноги расчлененных лягушек. Он заметил, что они дергались при касании заряженным стержнем. Затем он положил ряд лап, гроза на латунных крючках, покоящихся на железной решетке. К удивлению Гальвани, ноги продолжали подергиваться после шторма. Понимая, что они будут дергаться, когда они касаются двумя металлами, Гальвани предложил, чтобы это было результатом чего-то, что он назвал «электричеством животных».
Электрическое электричество. Вольта слышал о эксперименте Гальвани и задавался вопросом, генерируется ли электрический ток не каким-то свойством мышцы, а из-за контакта между двумя металлами. Вольта вошла в недостаток, что ток, который он производил, быстро уменьшался из-за поляризации.
В лабораториях, аристократических салонах, на ярмарках ставились удивительнее опыты, неприятные, забавные и волнующие одновременно.
Французская столица, разумеется, не могла остаться в стороне от «лейденского поветрия». 700 парижских монахов, взявшись за руки, провели лейденский эксперимент. В тот момент, когда первый монах прикоснулся к головке банки, все 700 монахов, сведенные одной судорогой, вскрикнули с ужасом.
Камера Даниэля избегала поляризации, когда медный электрод погружен в раствор сульфата меди, образуя внешнюю оболочку ячейки, и цинковый электрод, погруженный в раствор сульфата цинка в центре. Пористая чаша удерживала два раствора электролита отдельно. Вместо образования водорода, медь осаждалась на медный электрод, а ток продолжал течь.
Он содержал углерод и цинковые электроды в растворе хлорида аммония и смесь углеродных зерен и диоксида марганца для впитывания любого водорода, который был получен. Это формула, используемая в сухих батареях, которые питают так много сегодняшних электрических гаджетов.
180 королевских мушкетеров тоже провели перед королем подобный опыт в Версале. Даже гвардейская дисциплина оказалась бессильной перед ударом лейденской банки: «Первый держал в свободной руке банку, а последний извлекал искру; удар почувствовался всеми в один момент. Было очень курьезно видеть разнообразие жестов и слышать мгновенный вскрик, исторгаемый неожиданностью у большей части получающих удар».
Его интерес к электричеству был вызван историей предмета, написанного английским химиком Джозефом Пристли. Будучи профессором Падуанского университета, он посвятил себя изучению статического электричества. Французский император вручил ему Почетный легион и сделал его графом.
После Джорджа Вашингтона он был, вероятно, самым известным американцем того периода. Он был автором, принтером, издателем, изобретателем и ученым, который стал дипломатом, играя ключевую роль в представлении колоний в переговорах с британской короной и парламентом. У него была рука в написании Декларации независимости, Американской конституции и договора, которые дали 13 бывшим британским колониям их независимость.
Провел этот эксперимент придворный «электрик» короля, специально ведавший различными электрическими увеселениями, аббат Нолле.
Несмотря на неприятное ощущение, тысячи и тысячи людей хотели подвергнуться эксперименту.
Изготавливались новые банки, все более мощные.
Лейденская банка стала непременным атрибутом электрических исследований. С ее помощью получали крупные электрические искры – иной раз до нескольких сантиметров.
Как изобретатель, он разработал бифокальные очки и камин «Пенсильвания», дровяную печь, которая могла бы генерировать больше тепла, чем обычная железная печь, используя решетку для дерева и контролируя поток воздуха с помощью раздвижных дверей. Он согревал миллионы фермерских хозяйств и городских домов и до сих пор производится сегодня.
Его безрассудная демонстрация электрических эффектов молнии настолько впечатлила Королевское общество, что они сделали его членом. Франклин использовал это открытие, чтобы изобрести громоотвод, предполагая, что острые металлические стержни должны быть построены на высоких зданиях и заземлены на земле.
Электрические опыты приобрели необыкновенную популярность. Они стали одним из изысканнейших развлечений.
Целые представления, занимательные, чуть не театральные зрелища разыгрывались перед восторженными зрителями.
Лекторы, а может быть, вовсе не лекторы, а послы новой эпохи, искусители душ, воспламенители сердец глашатаями новых открытий разъезжали по свету, оставляя
Франклин провел много других электрических экспериментов, придумал термины, связанные с электричеством, такие как аккумулятор, проводник, отрицательный и положительный, и опубликовал хорошо расцененную книгу по этому вопросу. Первым устройством, способным хранить электрический заряд, была лейденская банка. Пока экспериментировал с электричеством, он дотронулся до своего электрического генератора до ногтя, застрявшего в бутылке с лекарством через пробку. Позже он получил сильный шок, прикоснувшись к гвоздю.
Хотя он и не понимал, как это работает, он обнаружил, что гвоздь и банка способны временно хранить электроны. Сегодня мы будем называть это устройство конденсатором. Конденсаторы используются в любой форме электронного оборудования. Возможно, Фон Клейст был первым, но сегодня он почти забыт. Используя банку с металлическим стержнем в воде, он коснулся стержня его электростатического генератора. Казалось, ничего не случилось, но когда человек, держащий кувшин, коснулся стержня, он получил потрясающий шок.
В 1746 г. появились различные модификации лейденской банки с фольговыми обкладками, с внутренней обкладкой из металлических опилок или дроби и т. д. Лейденская банка позволяла накапливать и хранить сравнительно большие заряды, порядка микрокулона.
Лейденская банка из Королевского
шотландского музея в Эдинбурге
Основа современной электрофорной машины, служащей для проведения опытов по электростатике в школе.
Маркетинг - это все, и новости об открытии Ван Муссенбрука быстро распространились по Европе и по всему миру. Лейденская банка стала очень важной в электротехнических исследованиях. Более компактные и более легкие в движении, чем электростатический генератор, экспериментаторы могут заряжать свои банки и брать с собой накопленное электричество в лаборатории или снаружи. Бенджамин Франклин использовал Лейденские банки в своих знаменитых экспериментах по воздушным змеям. Спустя столетие банки и конденсаторы Лейдена стали важными в области электрического освещения, радио и многих других практических применений.
 |
Лейденская банка-это конденсатор
Конденсаторы являются непременным элементом любых электронных схем , от простых до самых сложных. Трудно себе представить какую бы то ни было электронную схему, в которой не используются конденсаторы. За два с половиной века своего существования они весьма значительно изменили свой облик и сегодня отвечают всем требованиям передовой технологии. Некоторые конденсаторы стоят не больше рубля, но их производство в мировом масштабе исчисляется миллиардами долларов. Лейденская один из видов электрических конденсаторов; называется иногда банкою Клейста. Лейденская банка представляет собой стеклянный сосуд, внутренняя и наружная поверхность которого покрыты двумя листами фольги. Через резиновую пробку в сосуд вставлен металлический стержень так, что он касается внутреннего листа фольги. Внутренний и наружный листы фольги, в обычных условиях имеющие нейтральный заряд, играют роль электродов, если их подсоединить к внешнему источнику электрических зарядов. Банка может не иметь внутренней обсадки, но тогда в ней должна быть жидкость, напр. вода; банка может не иметь и внешней обкладки, но в таком случае при заряжении надо ее обхватить ладонями рук; такова и была банка в первоначальном виде.
Лейденская банка - это тот самый объект, о котором говорится в фразе «ловлю молнию в бутылке», что означает захват чего-то могущественного и неуловимого, а затем возможность удерживать его и показывать его миру. Как это работает Лейденская банка представляет собой цилиндрический контейнер из диэлектрика со слоем металлической фольги внутри и снаружи. При заземленной внешней поверхности на внутреннюю поверхность подается заряд. Это дает внешнему равный, но противоположный заряд. Когда внешняя и внутренняя поверхности соединены проводником, вы получаете искру, и все возвращается в норму.
Клейст, не зная о лейденских опытах, устроил подобный же прибор.
Мушенброк для избежания болезненных опытов разряда банки чрез человеческое тело придумал употребление металлического разрядника, а для получения усиленного действия от банок устроил первую батарею из 3 банок. Гралат, Ватсон, Бевис и др. постепенно улучшили устройство Л. банок и батарей. Теория действия Л. банки та же, что и вообще электрического конденсатора, преимущество ее перед пластинчатым конденсатором заключается в большей поверхности и замкнутости при других одинаковых условиях.
Количество заряда, которое может хранить одно из этих устройств, связано с приложенным к нему напряжением, умноженным на его емкость. Проще говоря, емкость зависит от площади фольги или металла, типа материала между двумя слоями фольги и толщины этого материала.
Названный в честь места - Лейденского университета, где проводилась большая часть ранних экспериментов. Эти устройства, хотя и довольно скромные, представляли собой огромный прорыв в истории электричества, поскольку они были самыми первыми конденсаторами и, как таковые, могли хранить электрический заряд. Ученые создавали статическое электричество с электростатическими генераторами на протяжении столетия; теперь у них наконец-то есть место, чтобы сказать!
Источником зарядов для Лейденской банки может быть электрическая батарейка, генератор и т. д. Так же простая эбонитовая палочка, потертая о шерсть или мех. Если такой палочкой, несущей в себе свободные электроны, коснуться металлического стержня в горлышке сосуда, электроны перетекут с палочки на внутренний электрод. Таким образом отрицательный заряд будет перенесен на внутренний электрод. Поскольку способность накапливать заряды у сосуда ограничена их взаимным отталкиванием, их переход на электрод не может быть бесконечным. Способность накапливать или удерживать заряды называется емкостью.
Если вы незнакомы с ними, пожалуйста, быстро посетите наш учебник по электростатическим генераторам, где вы получите основное представление о том, как эти устройства заполняли банки Лейдена с созданным ими зарядом. Затем вернитесь к учебнику ниже, в котором более подробно рассказывается о том, как это происходит, и о том, как после этого банки выгружаются.
Выше - наша скромная лейденская банка. Это не является копией самого первого, состоящего из пивного стекла, наполненного водой, в которое был вставлен гвоздь через пробку из изоляционного материала, такого как пробка. Скорее, этот лейденский фляж отражает усовершенствования прототипа, который следовал за ним, включая две пластинки металлических конденсаторов, а не только одну.
В лейденской банке емкость увеличивается благодаря наличию второго электрода на внешней стенке сосуда. Если этот электрод заземлить, то заряд, накопленный на внутреннем электроде, будет притягивать из земли такой же по величине заряд противоположного знака. Накопленный на наружном электроде положительный заряд притягивает находящиеся на внутреннем электроде отрицательно заряженные электроны, частично нейтрализуя силы отталкивания, сдерживающие накапливание электронов. Благодаря этом емкость сосуда увеличивается. Однако расти бесконечно она не может.
Итак, наша Лейденская банка состоит из стеклянной банки, которая изолирует наших двух проводников. Сами проводники выполнены в виде тонкой листовой оловянной фольги, обернутой вокруг внешней стороны банки, а другая - внутренней. Внутри банки висит металлическая цепочка. Эта цепь соединена с латунным стержнем, проходящим через изолирующую деревянную крышку и заканчивающимся шаром. Вся эта настройка заземлена, что означает, что она подключена к земле для завершения схемы.
Как вы можете видеть, эти электроны проводятся по металлическому стержню, по цепочке и к внутренней облицовке банки, к которой прикреплена цепь. Но там они попали в блокпост, потому что их путь запрещен стеклом, действуя как изолятор, и они накапливаются во внутренней металлической подкладке. Между тем, с другой стороны стекла, электроны во внешней металлической подкладке отталкиваются накоплением электронов на внутренней подкладке. Отталкиваемые электроны оставляют за проводником чистый положительный заряд.
Имеются два пути увеличения емкости лейденской банки. Один из них заключается в увеличении площади электродов, чтобы дать возможность зарядам рассредоточиться в большем пространстве и тем самым уменьшить силу взаимного отталкивания электронов. Другой путь - уменьшить толщину стеклянной стенки сосуда, разделяющей заряды, скапливающиеся на внутреннем и внешнем электродах. Не надо забывать при этом, что если стекло будет слишком тонким, электроны смогут пройти сквозь него, создавая искровой разряд, что приведет к рассеянию заряда.
Таким образом, вы завершаете двумя металлическими пластинами одинаковых, но противоположных зарядов. Еще одна интересная вещь: молекулы в стеклянной банке также реагируют на заряды; отрицательные заряды в молекулах смещаются наружу, положительно заряженный металл и положительные заряды ориентируются в сторону отрицательных зарядов внутри.
Теперь, что вы делаете с электричеством, когда вы заманиваете его в банку? Ну, люди использовали коллекцию лейденских банок, таких как батареи, чтобы управлять любым количеством вещей. Они также используются, как сейчас, для демонстрации основных электрических принципов. Мы также продемонстрируем здесь.
Оба пути в лейденской банке трудно реализовать, но они входят в число трех классических способов, к которым прибегают современные ученые и инженеры при разработке новых конструкций конденсаторов. Третье направление увеличения емкости - учет особенностей поведения электронов в изоляторах. Хотя электроны в изоляционном материале неподвижны, они все же могут слегка смещаться под воздействием сил притяжения или отталкивания, действующих со стороны электродов. На одной стороне разделяющего электроды диэлектрика электроны как бы "вспучиваются" под его поверхностью, создавая отрицательный заряд, на другой его стороне они "утопают" в толщу диэлектрика, увеличивая в подповерхностной зоне значение положительного заряда. Таким образом, созданные в диэлектрике заряды способствуют нейтрализации зарядов на обкладках.
После того, как было установлено разделение тел на проводники и непроводники, а опыты с электростатическими машинами получили широчайшее распространение, совершенно естественной была попытка «накопить» электрические заряды в каком-то стеклянном сосуде, который мог их сохранить. Среди многих физиков, занявшихся подобными экспериментами, наибольшую известность получил голландский профессор из г. Лейдена Мусхенбрук (Мушенбрек) (1692-1761 гг.).
Зная, что стекло не проводит электричества, он (в 1745 г.) взял стеклянную банку (колбу), наполненную водой, опустил в нее медную проволоку, висевшую на кондукторе электрической машины, и, взяв банку в правую руку, попросил своего помощника вращать шар машины. При этом он правильно предположил, что заряды, поступавшие с кондуктора, будут накапливаться в стеклянной банке.
После того, как по его мнению, в банке накопилось достаточное количество зарядов, он решил левой рукой отсоединить медную проволоку. При этом он ощутил сильный удар, ему показалось, что «пришел конец». В письме Реомюру в Париж (в 1746 г.) он писал, что этот «новый и страшный опыт советую самим никак не повторять» и что «даже ради короны Франции он не согласится подвергнуться столь ужасному сотрясению».
Так была изобретена лейденская банка (по имени г. Лейдена), а вскоре и первый простейший конденсатор, одно из распространеннейших электротехнических устройств.
Опыт Мусхенбрука произвел подлинную сенсацию не только среди физиков, но и многих любителей, интересовавшихся электрическими опытами.
Независимо от Мусхенбрука в том же 1745 г. к созданию лейденской банки пришел и немецкий ученый Э.Г. Клейст. Опыты с лейденской банкой стали производить физики разных стран, а в 1746-1747 гг. первые теории лейденской банки разработали знаменитый американский ученый Б. Франклин и хранитель физического кабинета англичанин В. Уатсон. Небезынтересна отметить, что Уатсон стремился определить скорость распространения электричества, «заставив» его «пробежать» 12 000 футов.
Одним из важнейших последствий изобретения лейденской банки явилось установление влияния электрических разрядов на организм человека, что привело к зарождению электромедицины это было первое сравнительно широкое практическое применена электричества, сыгравшее большую роль в углублении изучении электрических явлений.
Опыт Мусхенбрука был повторен в присутствии французского короля аббатом Нолле. Он образовал цепь из 180 гвардейцев взявшихся за руки, причем первый держал банку в руке, а последний прикасался к проволоке, извлекая искру. «Удар почувствовался всеми в один момент; было курьезно видеть разнообразие жестов и слышать мгновенный вскрик десятков людей». От этой цепи солдат и произошел термин «электрическая цепь».
Постепенно конструкция лейденской банки совершенствовалась: воду заменили дробью, а затем наружная поверхность покрывалась тонкими свинцовыми пластинами; позднее внутреннюю и наружную поверхности стали покрывать оловянной фольгой, и банка приобрела современный вид.
При проведении исследований с банкой было установлено (в 1746 г. англичанином Б. Вильсоном), что количество электричества, собираемое в банке, пропорционально размеру обкладок и обратно пропорционально толщине изоляционного стоя. В 70-х гг. XVIII в. металлические пластины стали разделять не стеклом, а воздушным промежутком - так, появился простейший конденсатор.
Веселовский О. Н. Шнейберг А. Я "Очерки по истории электротехники"