Pregunta 7. ¿Qué sabes sobre el Banco de Leiden?
7 F 4
Experiencia en Muschenbroek:
Jarra de Leyden: el primer condensador eléctrico,
inventado por los científicos holandeses Muschenbrek y su alumno Kuneus en 1745 en Leiden.
El dieléctrico en este condensador era el vidrio del recipiente, y las placas eran el agua en el recipiente y la palma del experimentador, que sostenía el recipiente. La salida del revestimiento interior era un conductor de metal que se pasaba al interior del recipiente y se sumergía en agua.
Como muchos inventos, fue la culminación de un proceso evolutivo, en este caso uno que reunió hilos de descubrimiento que comenzaron hace 200 años. Esta fue la primera observación registrada de las propiedades de la carga eléctrica. Este dispositivo primitivo convertía una bola de azufre. Cuando von Guericke tomó su mano, la bola emitió chispas de electricidad estática.
Jarra de Leyden del Royal
Este frasco de vidrio, parcialmente lleno de agua y sellado con un tapón perforado con un clavo, fue el primer dispositivo capaz de almacenar una carga eléctrica. Electricidad estática acumulada en el frasco al tocar el clavo con una varilla cargada. Luego esta carga fue disparada de un solo tiro, tocando el clavo con un objeto puesto a tierra; Cuando van Mussenbroeck hizo esto con su dedo, las enormes descargas fueron suficientes para matarlo.
El científico escribió sobre sus sensaciones: “Un alambre de cobre, cuyo extremo estaba sumergido en un recipiente redondo de vidrio, parcialmente lleno de agua, que sostenía en mi mano derecha, mientras con la otra intentaba extraer chispas del electrificado. barril. De repente mi mano derecha fue golpeada con tal fuerza que todo mi cuerpo tembló como si me hubiera alcanzado un rayo. El recipiente, aunque está hecho de vidrio fino, normalmente no se rompe con este golpe, pero la mano y todo el cuerpo se ven afectados de una manera tan terrible que ni siquiera puedo decir, en una palabra, pensé que había llegado el fin. ...”
Experimentos con tormentas voluminosas. En Estados Unidos, Benjamín Franklin experimentó con la jarra de Leyden y se preguntó si las chispas crepitantes eran una forma de relámpago y, además, el relámpago era una forma de electricidad. Tenía dos finas placas de metal, una recubierta de vulcanita y la otra con un mango aislado. La tabla se creó frotando pelo de gato sobre una losa cubierta de vulcanita. Se utilizó un segundo disco para transferir la carga a la jarra de Leyden, lo que permitió construir una carga muy grande por etapas.
Los monjes sostenían un extremo de un alambre de hierro de ocho metros en cada mano y juntos, sus cables de conexión formaban una línea de más de una milla de largo. Con la finalización de la línea, el Abbé Jean Antoine Nollet, un famoso erudito francés, tomó la camiseta de Leiden y, sin previo aviso, la vinculó a la línea de los monjes, dándoles un poderoso descarga eléctrica. Las exclamaciones y flexiones simultáneas de una línea de una milla de largo demostraron que la electricidad podía transmitirse a grandes distancias; y, hasta donde Nolle pudo ver, instantáneamente tocó esta distancia, sugiriendo que podría usarse para enviar mensajes a grandes distancias incomparablemente más rápido de lo que podría enviarlos un mensajero humano.
Resultó que en los buques del tipo sobre el que escribe Muschenbrek, la electricidad puede acumularse en cantidades muy significativas. Así se descubrió el más tarde famoso “tarro de Leyden”, el condensador más simple.
Noticias sobre la jarra de Leyden con alta velocidad se extendió por toda Europa y luego por una América poco ilustrada. Muschenbreck, ya famoso, se convirtió en un hito de Leiden. En particular, Pedro el Grande lo conoció cuando trabajaba en los astilleros de Holanda. Más tarde, Peter encargó "por encargo" varios instrumentos para la nueva Academia de Ciencias específicamente para Muschenbrek.
Luigi Galvani, un anatomista italiano y amigo de Volta, utilizó electróforos para estudiar los efectos de la electricidad estática en las patas de ranas desmembradas. Se dio cuenta de que se movían cuando los tocaba una varilla cargada. Luego colocó una hilera de patas, una tormenta, sobre ganchos de latón que descansaban sobre una reja de hierro. Para sorpresa de Galvani, sus piernas continuaron temblando después de la tormenta. Al darse cuenta de que se contraerían al tocar dos metales, Galvani propuso que esto era el resultado de algo que llamó "electricidad animal".
Electricidad eléctrica. Volta había oído hablar del experimento de Galvani y se preguntaba si corriente eléctrica no por alguna propiedad del músculo, sino por el contacto entre los dos metales. Volta tenía la desventaja de que la corriente que producía disminuía rápidamente debido a la polarización.
En laboratorios, salones aristocráticos y ferias representaban experiencias más increíbles, desagradable, divertido y excitante al mismo tiempo.
La capital francesa, por supuesto, no pudo mantenerse alejada de la “epidemia de Leiden”. 700 monjes parisinos se tomaron de la mano y realizaron el experimento de Leiden. En el momento en que el primer monje tocó la cabeza de la vasija, los 700 monjes, reducidos por una convulsión, gritaron de horror.
La cámara de Daniel evitó la polarización al tener un electrodo de cobre sumergido en una solución de sulfato de cobre, formando la capa exterior de la celda, y un electrodo de zinc sumergido en una solución de sulfato de zinc en el centro. La copa porosa mantuvo separadas las dos soluciones de electrolitos. En lugar de producir hidrógeno, se depositó cobre sobre el electrodo de cobre y la corriente continuó fluyendo.
Contenía electrodos de carbono y zinc en una solución de cloruro de amonio y una mezcla de granos de carbono y dióxido de manganeso para absorber el hidrógeno que se produjera. Esta es la fórmula utilizada en las baterías secas que alimentan muchos de los aparatos eléctricos actuales.
180 mosqueteros reales también llevaron a cabo un experimento similar frente al rey en Versalles. Incluso la disciplina de los guardias fue impotente ante el golpe de la jarra de Leyden: “El primero sostuvo la jarra en su mano libre y el último extrajo la chispa; El golpe lo sintieron todos a la vez. Fue muy curioso ver la variedad de gestos y escuchar el grito instantáneo de sorpresa que surge de la mayoría de los que reciben el golpe”.
Su interés por la electricidad surgió de la historia del tema escrita por el químico inglés Joseph Priestley. Como profesor de la Universidad de Padua se dedicó al estudio de la electricidad estática. El emperador francés le otorgó la Legión de Honor y lo nombró conde.
Después de George Washington, fue probablemente el estadounidense más famoso de la época. Fue autor, impresor, editor, inventor y científico que se convirtió en diplomático y desempeñó un papel clave en la representación de las colonias en las negociaciones con la Corona y el Parlamento británicos. Participó en la redacción de la Declaración de Independencia, la Constitución estadounidense y el tratado que dio la independencia a las 13 antiguas colonias británicas.
Este experimento fue llevado a cabo por el "electricista" de la corte del rey, que estaba especialmente a cargo de diversas diversiones eléctricas, el abad Nolle.
A pesar de la desagradable sensación, miles y miles de personas quisieron someterse al experimento.
Se fabricaron nuevas latas, cada vez más potentes.
La jarra de Leyden se convirtió un atributo indispensable investigacion electrica. Con su ayuda se producían grandes chispas eléctricas, a veces de hasta varios centímetros.
Como inventor, desarrolló los bifocales y la chimenea Pennsylvania, una estufa de leña que podía generar más calor que una estufa de hierro convencional utilizando una rejilla de leña y controlando el flujo de aire con puertas correderas. Él calentó a millones granjas y casas adosadas y todavía se produce hoy.
Su imprudente demostración de los efectos eléctricos de los rayos impresionó tanto a la Royal Society que lo nombraron miembro. Franklin utilizó este descubrimiento para inventar el pararrayos, sugiriendo que se construirían varillas metálicas afiladas sobre edificios altos y conectado a tierra.
Los experimentos eléctricos ganaron una popularidad extraordinaria. Se han convertido en uno de los entretenimientos más exquisitos.
Ante espectadores entusiastas se representaron representaciones enteras, espectáculos entretenidos, casi teatrales.
Conferencistas, o tal vez no conferencistas en absoluto, pero sí embajadores nueva era, tentadores de almas, encendedores de corazones, heraldos de nuevos descubrimientos viajaron por todo el mundo, dejando
Franklin llevó a cabo muchos otros experimentos eléctricos, acuñó términos relacionados con la electricidad como batería, conductor, negativo y positivo, y publicó un libro muy respetado sobre el tema. El primer dispositivo capaz de almacenar una carga eléctrica fue la jarra de Leyden. Mientras experimentaba con la electricidad, tocó con su generador eléctrico una uña clavada en un frasco de medicina a través del tapón. Más tarde recibió un fuerte shock cuando tocó un clavo.
Aunque no entendía cómo funcionaba, descubrió que un clavo y un frasco eran capaces de almacenar electrones temporalmente. Hoy llamaremos a este dispositivo condensador. Los condensadores se utilizan en cualquier forma. equipo electronico. Puede que Von Kleist haya sido el primero, pero hoy está casi olvidado. Usando una lata con una varilla de metal en el agua, tocó la varilla de su generador electrostático. No pareció pasar nada, pero cuando el hombre que sostenía la jarra tocó la varilla, recibió un tremendo susto.
En 1746 aparecieron varias modificaciones de la jarra de Leyden con revestimientos de aluminio, con un revestimiento interno de virutas de metal o perdigones, etc. La jarra de Leyden permitió acumular y almacenar cargas relativamente grandes, del orden de un microculombio.
Jarra de Leyden del Royal
Museo Escocés en Edimburgo
La base de una moderna máquina de electróforo utilizada para realizar experimentos de electrostática en la escuela.
El marketing lo es todo, y la noticia del descubrimiento de Van Mussenbroek se difundió rápidamente por toda Europa y el mundo. La jarra de Leyden adquirió gran importancia en la investigación en ingeniería eléctrica. Más compacto y más fácil de mover que un generador electrostático, los experimentadores pueden cargar sus frascos y llevarse la electricidad almacenada al laboratorio o al exterior. Benjamin Franklin utilizó frascos de Leyden en sus famosos experimentos con cometas. Un siglo después, las jarras y los condensadores de Leyden adquirieron importancia en la iluminación eléctrica, la radio y muchas otras aplicaciones prácticas.
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El tarro de Leyden es un condensador.
Los condensadores son un elemento indispensable de cualquier circuito electrónico, desde el más simple hasta el más complejo. Es difícil imaginar cualquier circuito electronico, que no utiliza condensadores. Durante los dos siglos y medio de su existencia, han cambiado su apariencia de manera bastante significativa y hoy cumplen con todos los requisitos. tecnología avanzada. Algunos condensadores no cuestan más que un rublo, pero su producción a escala mundial asciende a miles de millones de dólares. Leiden uno de los tipos de condensadores eléctricos; A veces se le llama tarro de Kleist. Una jarra de Leyden es un recipiente de vidrio cuyas superficies interior y exterior están cubiertas con dos láminas de papel de aluminio. Se inserta una varilla de metal en el recipiente a través de un tapón de goma para que toque hoja interior frustrar. Hojas de aluminio interior y exterior, en condiciones normales Al tener una carga neutra, desempeñan el papel de electrodos si están conectados a fuente externa cargas eléctricas. El frasco puede no tener revestimiento interno, pero debe contener líquido, por ejemplo. agua; es posible que el frasco no tenga revestimiento exterior, pero en este caso, al cargarlo, debe sujetarlo con las palmas de las manos; Así era el banco en su forma original.
La jarra de Leyden es el mismo objeto al que se refiere la frase "atrapar un rayo en una botella", que significa capturar algo poderoso y esquivo, para luego poder sostenerlo y mostrárselo al mundo. Cómo funciona Una jarra de Leyden es un recipiente cilíndrico hecho de material dieléctrico con una capa de lámina metálica por dentro y por fuera. Cuando la superficie exterior está conectada a tierra, se aplica una carga a la superficie interior. Esto le da al exterior una carga igual pero opuesta. Cuando es externo y superficie interior conectado por un conductor, se obtiene una chispa y todo vuelve a la normalidad.
Kleist, sin saber nada de los experimentos de Leiden, construyó un dispositivo similar.
Muschenbrock para evitar experiencias dolorosas de descarga del frasco a través cuerpo humano Se le ocurrió utilizar un descargador de metal y, para obtener un efecto potenciado de las latas, creó la primera batería de 3 latas. Gralat, Watson, Bevis y otros mejoraron gradualmente el diseño de las latas y baterías de L. La teoría de acción de L. latas es la misma que en general. condensador electrico, su ventaja sobre un condensador de placas es su mayor superficie y su cierre en otras condiciones idénticas.
La cantidad de carga que puede almacenar uno de estos dispositivos está relacionada con el voltaje que se le aplica multiplicado por su capacidad. En pocas palabras, la capacitancia depende del área de la lámina o del metal, el tipo de material entre las dos capas de lámina y el grosor de ese material.
Debe su nombre al lugar, la Universidad de Leiden, donde se llevaron a cabo la mayoría de los primeros experimentos. Estos dispositivos, aunque bastante modestos, supusieron un gran avance en la historia de la electricidad, ya que fueron los primeros condensadores y, como tales, pudieron almacenar una carga eléctrica. Los científicos llevan un siglo creando electricidad estática con generadores electrostáticos; ¡Ahora finalmente tienen un lugar que decir!
La fuente de carga de la jarra de Leyden puede ser una batería eléctrica, un generador, etc. O una simple barra de ebonita frotada sobre lana o piel. Si una varilla de este tipo, que transporta electrones libres, toca la varilla de metal en el cuello del recipiente, los electrones fluirán desde la varilla hacia el electrodo interno. Así, la carga negativa se transferirá al electrodo interno. Dado que la capacidad de acumular cargas en un recipiente está limitada por su repulsión mutua, su transferencia al electrodo no puede ser infinita. La capacidad de acumular o retener cargas se llama capacitancia.
Si no está familiarizado con ellos, visite rápidamente nuestro tutorial sobre generadores electrostáticos, donde obtendrá una comprensión básica de cómo estos dispositivos llenaron los frascos de Leyden con la carga que crearon. Luego regrese al tutorial a continuación, que detalla cómo sucede esto y cómo se descargan los frascos después.
Arriba está nuestra humilde jarra de Leyden. Esta no es una copia del primero, que consistía en un vaso de cerveza lleno de agua en el que se insertaba un clavo a través de un tapón de un material aislante como el corcho. Más bien, este matraz de Leyden refleja mejoras con respecto al prototipo que le siguió, incluidas dos placas de condensadores metálicos en lugar de solo uno.
En una jarra de Leyden, la capacidad aumenta mediante la presencia de un segundo electrodo en la pared exterior del recipiente. Si este electrodo está conectado a tierra, entonces la carga acumulada en el electrodo interior atraerá desde la tierra una carga igual de signo opuesto. La carga positiva acumulada en el electrodo exterior atrae los electrones cargados negativamente ubicados en el electrodo interior, neutralizando parcialmente las fuerzas repulsivas que inhiben la acumulación de electrones. Debido a esto, aumenta la capacidad del barco. Sin embargo, no puede crecer indefinidamente.
Entonces nuestra jarra de Leyden consiste en una jarra de vidrio que aísla nuestros dos conductores. Los propios conductores están hechos en forma de una fina lámina de papel de aluminio envuelta alrededor afuera bancos, y el otro - interno. Hay una cadena de metal colgando dentro del frasco. Esta cadena está conectada a una varilla de latón que pasa a través de un casquete aislante de madera y termina en una bola. Toda esta configuración está conectada a tierra, lo que significa que está conectada a tierra para completar el circuito.
Como puede ver, estos electrones son conducidos a lo largo de la varilla de metal, a lo largo de la cadena y hacia revestimiento interno latas a las que se une una cadena. Pero allí se topan con un obstáculo porque el vidrio, que actúa como aislante, bloquea su camino y se acumulan en el revestimiento metálico interior. Mientras tanto, en el otro lado del vidrio, los electrones del revestimiento metálico exterior son repelidos por la acumulación de electrones en el revestimiento interior. Los electrones repelidos dejan una carga neta positiva detrás del conductor.
Hay dos formas de aumentar la capacidad de una jarra de Leyden. Uno de ellos es aumentar el área de los electrodos para permitir que las cargas se dispersen en un espacio mayor y así reducir la fuerza de repulsión mutua de los electrones. Otra forma es reducir el espesor de la pared de vidrio del recipiente, que separa las cargas que se acumulan en los electrodos interior y exterior. No debemos olvidar que si el vidrio es demasiado fino, los electrones pueden atravesarlo creando una descarga de chispa, lo que provocará la disipación de la carga.
Entonces terminas con dos placas de metal de cargas iguales pero opuestas. Otra cosa interesante: las moléculas del frasco de vidrio también reaccionan a las cargas; las cargas negativas de las moléculas se mueven hacia afuera, el metal cargado positivamente y las cargas positivas se orientan hacia las cargas negativas del interior.
Ahora, ¿qué haces con la electricidad cuando la atrapas en un frasco? Bueno, la gente ha usado una colección de frascos de Leyden como baterías para controlar cualquier cantidad de cosas. También se utilizan, como ahora, para demostrar los conceptos básicos. principios electricos. También lo demostraremos aquí.
Ambos caminos en la jarra de Leyden son difíciles de implementar, pero se encuentran entre los tres métodos clásicos, al que recurren los científicos e ingenieros modernos cuando desarrollan nuevos diseños de condensadores. La tercera dirección para aumentar la capacidad es tener en cuenta las peculiaridades del comportamiento de los electrones en los aisladores. Aunque los electrones en material aislante inmóviles, todavía pueden moverse ligeramente bajo la influencia de fuerzas de atracción o repulsión que actúan desde los electrodos. En un lado del dieléctrico que separa los electrodos, los electrones parecen "hincharse" bajo su superficie, creando una carga negativa, en el otro lado se "hunden" en el espesor del dieléctrico, aumentando el valor de la carga positiva en el subsuelo. zona. Así, las cargas creadas en el dieléctrico contribuyen a la neutralización de las cargas en las placas.
Después de que se estableció la división de los cuerpos en conductores y no conductores y se generalizaron los experimentos con máquinas electrostáticas, era completamente natural intentar "acumular" cargas electricas en algunos recipiente de vidrio¿Quién podría salvarlos? Entre los muchos físicos que participaron en tales experimentos, el más famoso fue el profesor holandés de Leiden, Muschenbroek (Muschenbreck) (1692-1761).
Sabiendo que el vidrio no conduce la electricidad, (en 1745) tomó tarro de cristal(frasco) lleno de agua, sumergido en él alambre de cobre colgando del conductor maquina electrica, y, tomando el frasco derecha, le pidió a su asistente que hiciera girar la bola de la máquina. Al mismo tiempo, asumió correctamente que las cargas provenientes del conductor se acumularían en un frasco de vidrio.
Después de sentir que se había acumulado una cantidad suficiente de cargas en el frasco, decidió desconectar el cable de cobre con la mano izquierda. Al mismo tiempo sintió golpe fuerte, le pareció que “había llegado el fin”. En una carta a Réaumur en París (en 1746), escribió que esta “nueva y terrible experiencia le aconsejo que no la repita de ninguna manera” y que “ni siquiera por el bien de la corona de Francia aceptará someterse a tal un shock terrible”.
Así se inventó la jarra de Leyden (llamada así por la ciudad de Leiden) y pronto el primer condensador simple, uno de los dispositivos eléctricos más comunes.
El experimento de Muschenbruck causó sensación no sólo entre los físicos, sino también entre muchos aficionados interesados en los experimentos eléctricos.
Independientemente de Muschenbruck, en el mismo 1745, el científico alemán E.G. Kleist. Los físicos comenzaron a realizar experimentos con la jarra de Leyden. diferentes paises, y en 1746-1747. Las primeras teorías sobre la jarra de Leyden fueron desarrolladas por el famoso científico estadounidense B. Franklin y el guardián del gabinete de física, el inglés W. Watson. Es interesante observar que Watson intentó determinar la velocidad de propagación de la electricidad “haciéndola” correr” 12.000 pies.
Una de las consecuencias más importantes de la invención de la jarra de Leyden fue el establecimiento de la influencia de las descargas eléctricas en el cuerpo humano, lo que condujo al surgimiento de la electromedicina; esta fue la primera aplicación práctica relativamente extendida de la electricidad, que jugó un papel importante; papel en la profundización del estudio de los fenómenos eléctricos.
El experimento de Muschenbruck fue repetido en presencia del rey francés por el abad Nollet. Formó una cadena de 180 guardias tomados de la mano, el primero sosteniendo una lata en la mano y el último tocando el cable, provocando una chispa. “El golpe lo sintieron todos en un momento; Fue curioso ver la variedad de gestos y escuchar el grito instantáneo de decenas de personas”. De esta cadena de soldados se originó el término “circuito eléctrico”.
Poco a poco, se mejoró el diseño de la jarra de Leyden: se reemplazó el agua con perdigones y luego se cubrió la superficie exterior con finas placas de plomo; Más tarde, las superficies interior y exterior comenzaron a cubrirse con papel de aluminio y la lata adquirió su aspecto moderno.
Al realizar investigaciones con la jarra, se encontró (en 1746 por el inglés B. Wilson) que la cantidad de electricidad recogida en la jarra es proporcional al tamaño de los revestimientos e inversamente proporcional al espesor de la columna aislante. En los años 70 Siglo XVIII Las placas de metal comenzaron a estar separadas no por vidrio, sino por un espacio de aire; así apareció el condensador más simple.
Veselovsky O. N. Shneyberg A. Ya "Ensayos sobre la historia de la ingeniería eléctrica"