Лейденская банка принцип работы - Electrik-Ufa.ru
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (пока оценок нет)
Загрузка...

Лейденская банка принцип работы

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.

Виды
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:
  1. Повышение площади электродов, что позволит рассредоточить заряды, а также снизить взаимно отталкивающие силы.
  2. 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.

Лейденская банка

Лейденская банка – прибор, запасающий электрический заряд.

Математическое выражение емкости

Находятся люди, ненавидящие исторические экскурсы, веселые анекдоты, приведенные ниже, подробное изложение. Посещают интернет, выуживая формулу электроемкости лейденской банки, хотят немедленно видеть. Пожалуйста:

C = q/U, q – накапливаемый лейденской банкой заряд, U – разница потенциалов между выводами. Иное выражение позволяет выразить электроемкость конденсатора площадью обкладок, расстоянием меж ними:

электроемкость конденсатора повышается ростом площади, уменьшением зазора. ε – диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками, ε(0) – электрическая постоянная, равная 8,85 пФ/м.

По указанным причинам наибольшей электроемкостью обладают электролитические конденсаторы оксидного типа. Обкладки расположены впритык.

Из истории

Двигатель прогресса

Большинство великих изобретателей увлекались историей естествознания. Тесла заинтересовался электричеством, когда увидел искры с шерсти обыкновенного кота. В давние времена далеко не каждый имел образование. Георг Ом имел несчастье родиться в бедной семье, облагодетельствованный отцом, читал книги по математики, получил наставника. Задача, которая в 20-е годы XIX многим показалась непосильной, решена с получением закона Ома для участка цепи.

После Второй мировой страны добились невероятного развития. Россия, к сожалению, в число не входит. Несомненный успех найден, где ранее ученые умы закладывали фундамент. Достаточно посмотреть ВВП сверхдержав:

  1. Первое место взяло США. Дикая земля с завидным постоянством служила пристанищем ученых. Промышленники постоянно думали, как заработать. Эдисон известен, побежден Николой Тесла, обманутым воротилой чуть раньше. Большая часть бытовой техники запатентована, придумана США. Миксеры, блендеры, кофеварки. Карол Поллак на конденсатор взял патент США.
  2. КНР занимает почетное второе место. Аналитики предрекают сверхдержаве большое будущее. Другим – не нравится Китай, постоянно копирующий чужую технику. Иосиф Сталин занимался выпуском автомобилей СССР, избегая оплачивать копейки по патентам иностранных фирм. По производству конденсаторов Китай наверняка догнал тройку лидеров.
  3. Третье место занимает Япония, ставка сделана на политику Большого рывка. До Второй мировой войны феодальная держава, последующие сорок пять лет Страна восходящего солнца последовательно занималась инновациями в наукоемкие отрасли. Изобретения пришли с островов, в силу недостаточности межнационального общения лишены должной мировой известности.
  4. Четвертое, пятое, шестое места занимают Германия, Великобритания, Франция. Непрерывно ссорящиеся в прошлом державы переняли манеру ученых кругов, постоянно обменивающихся опытом, идеями. Предпринимались продолжительные поездки (вспомнив Дэви и Фарадея). Начало электролитических конденсаторов заложено Германией, первенство оспаривается Нидерландами (18 место).

Вывод напрашивается: научное достояние важнее сиюминутной выгоды. Достаточно придумать новый конденсатор, придумать способы использования, взять патент, немедленно начнете зарабатывать. Господь благословил Америку, утверждают жители США неофициальным гимном. Стоял позади, выступал щитом, как обещано Ветхим Заветом. Изобретатели волей провидения приносили прибыль.

Лейденская банка

Отбрасывая слухи, первым изобретателем лейденской банки, считается Эвальд фон Клейст. Явление накопления заряда обнаружили на примере бутылки из-под вина. Фон Клейст опустил в ртуть провод электростатического генератора, придерживая конденсатор. После разрыва с источником оказалось: торчащий кончик бьется током. Гораздо сильнее электростатической машины. Эффект оценивался нервной системой естествоиспытателя.

Сделан правильный вывод: заряд удаётся запасать электроемкостью, механизм остался тайной. Предполагалось, что дело в стекле (Бенджамин Франклин). Накапливает заряд. Реально провод с ртутью служили одной обкладкой образованного конденсатора. Отсутствовали инструменты оценить электроемкость прибора. На момент середины XVIII века существовал электроскоп, говорилось: заряд присутствует, доводилось делать предположение о знаке (фон Герике обнаружил: наэлектризованный шарик, притянутый человеческим носом, после соприкосновения начинает отталкиваться).

Оказалось, алкоголь проводит электрический ток. Вставив в пробку железный гвоздь, запечатав, фон Клейст наслаждался ударами запасенного тока от электроемкости конденсатора. Постепенно конструкция стала больше напоминать нынешнюю. В колбу термометра опускался провод со свинцовым шаром на конце. Емкость заполнялась водой. Отсутствовала важная деталь – вторая обкладка. Электричество могло храниться несколько часов, вызывать на демонстрациях легкие всполохи, окружающих впечатляло.

Об электрическом токе не было известно ровным счетом ничего, могло помочь проверить наличие заряда щадящими методами. Фон Клейст касался контакта пальцем, когда уставал терпеть, брал рукой кусочек золотой пластинки. Описываемые события заканчиваются октябрем 1745 года, месяцем спустя фон Клейст докладывает о своих достижениях двум другим ученым:

  1. В Берлин доктору Либеркуну.
  2. В Галле доктору Крюгеру.
Читайте также:  Пожарная лестница на балконе как обыграть?

Доказывая окружающим состоятельность работ, фон Клейст заставлял «целоваться» с конденсатором, утверждая: редкий мазохист захочет продолжения вечеринки. От излишнего усердия терщика колбы иногда разбивались. Войска конденсаторов несли потери, Бенджамин Франклин ввел термин батарея. Настолько сильным оказался шок заряда, запасенного электростатическим генератором! Фон Клейст временами втихомолку удивлялся, если конденсатор рукой не придерживать, разряд отсутствует: отсутствовало понятие электрической цепи. Предметы отказывались электризоваться контактом, фон Клейст решил: человеческое тело определенно относится к работе конденсатора.

Мушенбрук

Следует напомнить: закон об охоте за ведьмами недавно отменен, Бенджамин Франклин мог спокойно охотиться за молниями воздушным змеем, эстафету немецкого ученого перенял некто Питер ван Мушенбрук. Исторические источники говорят: муж науки изобрел лейденскую банку (конденсатор) совершенно независимо от фон Клейста. Видимо, мысль заполняла эфир, человек просто подхватил, как иные подхватывают простуду. Результат был более впечатляющим, нежели выздоровление.

В Лейденском Университете поныне опыты фон Клейста замалчивают. Лавры отданы Мушенбруку, дата открытия конденсатора с задокументированной демонстрации января 1746 года переносится на таинственный день 1745. Передавая честь изобретения, Мушенбрук таинственно молчал, уподобляясь рыбе…

Ученый Питер ван Мушенбрук

В начале 1746 года уведомлен Рене Антуан Реомюр. Нельзя сказать, чтобы деятель науки занимал видный пост, но 40 лет освещал присутствием круги, мог оценить значимость изобретения конденсатора. Главное, Реомюр знал лично священника, члена Академии наук (Франции) Жана-Антуана Нолле, большого энтузиаста, весельчака. Предполагают, последний хотел измерить на монахах, руководствуясь лейденской банкой скорость движения электрического тока. Задуманное провалилось: 700 человек заорали одновременно. Мгновенно уверовали в науку, существование электроемкости конденсатора. 180 королевских мушкетеров не смогли ответить железной стойкостью, подвергнувшись экзекуции – уверовал Людовик XV. Кадры решают все – в отличие от фон Клейста, ван Мушенбрука Нолле нашел немедленное признание, конденсатор обрел известность.

Однако! Ван Мушенбруку повезло больше предшественника. Многие утверждают: первый удар током получил студент на январской демонстрации, сама постановка вопроса намекает: ученый знал последствия разряда электроемкости конденсатора, хитро улыбаясь, наблюдал учащихся. Иные источники говорят: открытие было сделано ранее. В лаборатории Мушенбрук пытался получить искры, заручившись помощью дула ружья: видимо, быстро понял, как обращаться со стеклянным шаром статического электрогенератора, чтобы остаться в живых. Получилось волей случая, на столе покоилась банка, заполненная водой, к стволу зачем-то привязан медный провод, опускаемый внутрь сосуда.

Искра почему-то отсутствовала. Мушенбрук, задумавшись, одной рукой опер стол, коснувшись банки, другой взялся за ствол, закоротив цепь разряда электроемкости конденсатора. Мгновенно понял истинное предназначение – недаром говорят: незаряженное ружье раз в жизни стреляет. Нужно было стать фокусником или факиром! Шутка ли, сотворить с обычным охотничьим ружьем. Отдача вышла весьма сильная, ощущение – будто попала молния. Ученый пришел к открытию. Сумел обнаружить: цепь легко замыкалась через металлическую столешницу. Объяснить явление не смог.

Конструкция лейденской банки

Лейденская банка стала напоминать закрутки. Заменили винную бутылку. Поверх плотно накручивали металлическую крышку, входящую в электрод. Банки стали объединять батареями (показано рисунком), ставили в ящик. Мушенбрук заметил: без присмотра прибор быстро теряет заряд.

Лейденские банки Маркони

Лейденские банки использовала техника по простой причине. Давали сильный сигнал, позволяющий функционировать телеграфу. Зарядить прибор можно было вручную, неплохая альтернатива. Определение покажется странным, раньше приборами телеграфной связи оборудовали корабли. Моряки избегают шуток. Представленное изображение демонстрирует продукцию фирмы Маркони, оборудование стояло на затонувшем Титанике.

После лейденской банки

Устройства использовались свыше полутораста лет с большим успехом. При помощи лейденской банки построен первый колебательный контур. Поскольку везде использовался постоянный ток, потребности изобретать не было. Довольствовались гальваническими элементами, лейденскими банками. Позже появились аккумуляторы, разновидность электрохимического источника тока.

Забавно, серьезные предпосылки появления первых конденсаторов в сегодняшнем виде создал опять-таки Никола Тесла. Много написано о сербе, не перечесть заслуг. Ученый начал для моделирования устройств использовать колебательные цепи. Знаменитая башня Вондерклифф – резонансный электрический контур впечатляющих размеров.

В конце XIX века стали появляться на свет конденсаторы различного толка.

Лейденская банка или как сделать простой конденсатор

Здравствуйте. Хотелось бы показать, как делается лейденская банка или самый простой конденсатор.
Но для начала немного информации для тех, кто не знает, что это такое ну а те, кто в курсе может и пропустить или почитать, дабы освежить память.
Лейденская банка — первый электрический конденсатор, изобретённый голландским учёным Питером Ван Мушенбруком и его учеником Кюнеусом в 1745 в Лейдене. Параллельно и независимо от них сходный аппарат под названием «медицинская банка» изобрёл немецкий учёный Эвальд Юрген фон Клейст.
Этот старинный прибор, может накапливать статическое электричество, чем меня и привлек.

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.

Из инструментов мне понадобились:
1) Ножницы.
2) Шило.
3) Плоскогубцы.
4) Паяльник.
Из материалов:
1)Емкость.
2)Фольга.
3)Кусочек медного провода.
4)Скотч.
5)Шарик от подшипника.

И так. За основу я взял емкость от закончившейся холодной сварки. Поначалу хотел из стеклянной баночки, но они все были толстостенные и большие.

Отрезал кусочек фольги для донышка, (чтобы увеличить полезную площадь и благодаря этому повысить производительность).

Следом я обернул фольгой снаружи стенку своей емкости, старался, чтобы фольга как можно плотнее прилегала к ней, ведь это тоже влияет на то, сколько она заряда будет накапливать.

Кстати в первой лейденской банке эту фольгу успешно заменила рука ученого Мусхенбрук (Мушенбрек) (1692—1761 гг.), обхватывавшего сосуд и понявшего, что лучше не стоило трогать провод, который был соединен к электростатической машине зарядившей лейденскую банку.
Поискав в закромах, нашел шарик от подшипника, жаль, конечно, что не нашлось большего диаметра, но он тоже неплохо собирает статическое электричество.

Решил закрепить посредством пайки. Для начала зачистил место пайки наждачной бумагой.

Затем полудил канифолью и спаял медную проволоку с шариком.

Дальше просто проткнул шилом крышку емкости и засунул туда провод с шариком.

На нижней фотографии видно цепочку, которую я ставил для контакта с внутренней обкладкой, но впоследствии отказавшись от фольги (ввиду отсутствия клея или фольгоскотча), которая внутри и заменив фольгу водой, она была демонтирована.

А вот и он в укомплектованном виде.

Электростатической машины чтобы проверить, у меня пока нет.
Пришлось заряжать его при помощи телевизора (зомбоящика). Поелозив два-три раза по экрану шариком, насобирал достаточное количество электрических зарядов для разряда искры.

А бьет, я вам скажу не хило, сильнее, чем пьезоэлемент зажигалки.
Не хотел я, конечно же, повторять опыт Питера Ван Мушенбрука но пришлось ввиду своей неаккуратности и легко отвлекаемости.

Тем, кто захочет сделать лейденскую банку собственными руками и не знает, как это сделать могу сказать следующее:

Сосуд может быть и стеклянный. Для маленькой лейденской банки лучше, если стенки будут тоньше.

Вместо фольги удобнее использовать фольгоскотч и следите за тем, чтобы пузырьки воздуха не оставались между скотчем и сосудом.

Если Вы решите внутреннюю сторону банки обклеить фольгоскотчем, то необходимо проследить за тем, чтобы проволока с шариком касались с внутренней обкладкой (можно запаять многожильный провод и сделать как бы кисточку или сделать типа пружинки из одножильного провода, в общем, вариантов масса). А если с водой, то провод обязательно должен касаться воды.

Шарик можно из любого материала даже диэлектрик только его нужно будет тоже покрыть фольгой (и чтобы фольга касалась провода), если захотите по быстрей можете просто скатать шарик из фольги.

Зарядить его можно даже расческой, ручкой и т.д. только это малоэффективно лучше если нет электрофорной машины, зарядить от экрана телевизора (подходят только те которые с электронно-лучевой трубкой).

Читайте также:  Как вставить розетку в стену

И напоследок хотелось бы напомнить о технике собственно безопасности ведь это главное. Не повторяйте мою ошибку будьте бдительны. Конечно, от накопленного заряда небольшой лейденской банки Вы не умрете (зависит от многих факторов в том числе и от состояния Вашего здоровья ), а вот если сделаете его большим и или подключите к электрофорной машине, то вполне возможно. Именно благодаря лейденским банкам электрофорная машина развивает свою мощь и испускает такие длинные устрашающие (некоторых) искры, так как в банках накапливается собранный электрический заряд.

Экспериментальные коллизии лейденского опыта

В 1913г. Петербургский университет получил нового сотрудника – физика А.Ф.Иоффе. При специальности инженера-технлога, имея склонность к научной работе, до этого он в течение нескольких лет трудился в Мюнхенском университете под руководством лучшего физика-экспериментатора Европы В.К.Рентгена. Там же он и защитил докторскую диссертацию.

Теперь его научным руководителем стал физик О.Д.Хвольсон. В беседе о предстоящих исследовательских работах этот руководитель предложил ему «продолжить замечательную традицию русских ученых» воспроизводить лучшие научные заграничные работы. Понятно, что ученику Рентгена, самого первого лауреата Нобелевской премии по физике, даже слышать об этом было странно. Он переспросил: «Не лучше ли ставить новые еще не разрешенные вопросы?». На что Хвольсон ответил: «Но разве можно в физике придумать что-то новое? Для этого надо быть Джи-Джи Томсоном».

Действительно, Дж.Томсон, первооткрыватель электрона, был крупным физиком. Но потом оказалось, что и А.Ф.Иоффе тоже умел задавать вопросы в науке и вся мировая полупроводниковая техника по сути началась с него. К тому же он явился организатором русской научной школы, учениками которой гордилась бы любая страна мира, среди которых И.В.Курчатов и нобелевские лауреаты Н.Н.Семёнов, П.Л.Капица.

Умение задавать природе вопросы и получать на них ответы с помощью эксперимента считается самым важным в жизни науки. А деятели, которые умеют это делать, как раз и являются выдающимися учеными. Но нее так уж и неправ был и О.Д.Хвольсон. Фундамент современной физики состоит из выводов работ первопроходцев, которые регулярно проверяются, перепроверяются, уточняются. В случае неподтверждения выводов рушатся целые разделы наук, а затем кропотливо возводятся новые стены, филиалов этой науки, которые ведут к новым открытиям, к новым построениям. Такой процесс длится столетиями и нет этому конца.

Здесь мы поведаем историю об эксперименте одного ученого, которого заинтересовал перспективный научный вопрос о физическом явлении и который пытался решить его с помощью простого и убедительного опыта, но приведшего к ситуации, называемой коллизией. Это тот случай, когда полученные результаты противоречат друг другу.

Никто не сможет назвать точную дату научного открытия того факта, что электрические заряды можно накапливать с помощью специальных устройств, впоследствии названных лейденскими банками и позже получивших свое развитие в приборах, именующихся электрическими конденсаторами. Но можно утверждать, что после 1745г. с помощью лейденской банки удалось выяснить высокую скорость распространения электричества, его влияние на организм человека и животных, возможность поджигания электрическими искрами горючих газов и т.д. Тысячи исследователей пытаются применить этот прибор для нужд народного хозяйства. Однако саму лейденскую банку почему-то никто и не пытается изучать.

Первый вопрос природе по самой банке задает великий американский ученый-самоучка Бенджамин Франклин. Напомним, что лейденская банка в то время представляла собой обыкновенную закупоренную бутылку с водой, в пробку которой был вставлен железный стержень, касающийся этой воды. Саму бутылку или держали в руках, или ставили на свинцовый лист. Таким и было всё её устройство.

Франклин задался вопросом выяснить, где же в этом простом аппарате из стекла металла и воды может накапливаться электричество. В железном стержне, воде или самой бутылке? Сейчас, когда существуют различные измерительные приборы и половина населения пользуется компьютерами, этот вопрос многих поставит в тупик. Посмотрим, как решалась эта задача в 1748г, когда единственным измерительным прибором был сам экспериментатор, пропускающий через себя болезненные электрические удары. Большей частью будем приводить описание экспериментов самим автором опытов, чтобы убедиться в их гениальной простоте.

«Намереваясь исследовать наэлектризованную банку, чтобы установить, где скрыта ее сила, мы поместили ее на стекло и вынули пробку с проводом. Затем, взяв банку в одну руку и поднеся другой палец к ее горловине, мы извлекли из воды сильную искру со столь же сильным ударом, как если бы провод оставался на своем месте, а это показало, что сила скрывается не в проводе». Здесь автор проводом называет выводной стержень банки.

«После этого в целях выяснения, не находится ли электричество, как нам это думалось, в воде, мы опять наэлектризовали банку. Поставив ее на стекло, вынули из нее, как и раньше, провод с пробкой; затем всю воду из банки мы перелили в пустую бутылку, которая тоже стояла на стекле. Мы считали, что если электричество находилось в воде, то при прикосновении к этой бутылке мы получим удар. Никакого удара не последовало. Отсюда мы сделали вывод, что электричество либо было потеряно при переливании, либо же осталось в банке».

«Верным оказалось, как мы установили, последнее, потому что при испытании этой банки последовал удар, хотя в нее мы налили простую воду из чайника». Франклину ничего не оставалось, как признать, что заряд в банке мог быть только в её стекле.

«Чтобы выяснить затем, присуще это свойство стеклу бутылки или ее форме, мы взяли лист стекла, положили его на ладонь, прикрыли сверху пластинкой свинца и наэлектризовали последнюю. Поднесли к ней палец, в результате чего последовала искра с ударом». Таким способом было определено, что форма стекла на результат не влияет. Результатом решения этой задачи стало для Франклина изобретение плоского конденсатора, одной пластиной которого являлась ладонь экспериментатора, а другой – лист свинца. Впрочем, в дальнейшем он ладонь заменяет также на свинцовый лист.

У кого могли возникнуть сомнения в научной чистоте эксперимента янки? Он смело мог утверждать, что в электрической емкости «в сконденсированном виде» заряд находится в СТЕКЛЕ. Эти опыты при необходимости мог повторить любой и проверить выводы Франклина. Наверняка такие опыты производились и выводы подтверждались многими учеными. Была даже создана демонстрационная модель лейденской банки, с помощью которой показывали учащимся упрощенный вариант опыта, потом оказавшимся с неправильным выводом. Ведь если бы Франклин вместо воды применил в опыте ртуть, результат мог быть прямо противоположным.

Эксперименты с лейденской банкой были весьма эффектными и полностью отвечали идеям просвещенного абсолютизма, поэтому стали модными в высшем свете и в них принимали участие даже венценосные особы. А аббат Ж.А.Нолле даже занял пост официального электрика при короле Людовике XV. Он то и дал название прибору по имени университетского города Лейдена в Голландии, где скорее всего и был изобретен этот прибор.

Десяток лет экспериментов не пропали даром. Было точно установлено, что результаты опытов не зависят от состава воды (годилась любая). Более того, вместо воды в банку можно было насыпать свинцовую дробь или просто внутри ее укрепить свинцовую фольгу. На действие банки это не отражалось. Банки для усиления действия научились собирать в батареи.

Было установлено, что банки большего объема (следовательно, и с большей поверхностью стекла) давали более сильные разряды. А вот зависимость удара от толщины стекла была обратной. Более тонкие стекла давали более сильный разряд. Удивительно, что с помощью силы электрического удара исследователя, ученые довольно точно подошли к хорошо знакомой нам формуле емкости плоского конденсатора. Впоследствии историки науки в шутку назовут этот метод измерений ШОКМЕТРОМ. (От французского ШОК – удар, толчок).

Для объяснений электрических явлений в научной среде были выдвинуты несколько теорий, нашедших применение среди ученых. Среди них была и унитарная теория электричества, предложенная самим Франклином. Согласно этой теории электричество представляло собой некую невесомую жидкость, которая заполняла все тела. Если в телах было больше или меньше этой жидкости, то тело приобретало заряд. При избытке этой жидкости тело имело заряд положительный, при недостатке – отрицательный. Эта теория позже найдет свое развитие в электронной теории проводимости.

С помощью этой теории было легко объяснить явления, происходящие в конденсаторе (лейденской банке). При зарядке электрическая жидкость из одной обкладки конденсатора перетекает в другую обкладку. Следствием является положительный заряд одной обкладки и отрицательный другой. Стекло между ними служит только изолятором и ничем другим. Разрядить такой конденсатор легко. Достаточно замкнуть эти пластины проводником или телом человека. Но результаты опыта Франклина говорили о том, что заряд находится в стекле! Как же все это понимать?

Некоторые ученые, чтобы подтвердить правильность унитарной теории, пытались убрать из опыта стекло. Они заряжали два металлических бруска, которые висели рядом. Несомненно, что они представляли собой конденсатор, но без стекла. Увы, такой конденсатор экспериментатора током не ударял и вопрос оставался нерешенным.

Читайте также:  Принцип работы батареи водяного отопления

В 1757 году в Петербурге вышел свет труд российского академика Франца Эпинуса «Опыт теории электричества и магнетизма», в которой описан опыт, решивший эту задачу. За основу он взял свою мысль о том, что электризация брусков была правильной, но потрясение экспериментатора ударом не было по причине малой емкости такого конденсатора. А увеличить емкость его можно увеличением обкладок конденсатора и уменьшением расстояния между ними. В связи с тем, что экспериментатор для свершения этого опыта изобретает новый вид электрической емкости – конденсатора с воздушным диэлектриком мы приводим текст самого Ф.Эпинуса.

«Итак, чтобы получить большую поверхность, я позаботился об изготовлении деревянных пластин, поверхность которых имела около восьми квадратных футов, я подвесил их, обложив металлическими листами на расстоянии полутора дюймов друг от друга в положении параллельном одна другой». Он зарядил такой конденсатор и разрядил через себя..

«Я немедленно получил сильное потрясение, совершенно подобное тому, какое вызывает лейденская банка. Кроме того, этот прибор был в состоянии воспроизвести и все другие явления, которые получаются в банке; нет нужды повергать их рассмотрению». Заметим, что восемь квадратных футов это чуть меньше квадратного метра.

Последнее замечание о «всех других явлениях» весьма существенно. Оно подчеркивает, что электричество из такого конденсатора ТОЧНО ТАКОЕ ЖЕ, как и из лейденской банки. Но здесь не было стекла, а предполагать, что заряды находятся в окружающем воздухе было непродуктивно. Позже, в 1838году такие вещества «при посредстве или через которые действуют электрические силы» М.Фарадей назовет ДИЭЛЕКТРИКАМИ. Эпинус же делает в книге замечание: «Я понял, что с Франклиным случилось нечто такое, что может случиться с каждым человеком», намекая на латинскую пословицу – Errare humanum est – человеку свойственно ошибаться.

Ф.Эпинус выслал в Америку свое сочинение специально для Франклина, но тот уже практически перестал заниматься исследованиями по электричеству, исключая практическое применение изобретенного им громоотвода. Он стал политиком. А Екатерина II отлучила от академической деятельности в России и Ф.Эпинуса. Она назначила его учителем физики для своего сына Павла, ставшего потом императором. А ведь он был приглашен в Петербург на смену погибшего при исследованиях атмосферного электричества Г.В.Рихмана. Так и получилось, что вопрос по поводу опытов с лейденской банкой оставался нерешенным еще долгое время.

И вот передо мной учебник по электричеству 1918г. издания. Это перевод книги французского автора Жоржа Клода с длинным названием «Электричество для всех и каждого удобопонятно изложенное». В нем идет описание опыта с лейденской банкой, как и у Франклина, но уже при отсутствии воды вообще. См. рисунок.

Слева изображена лейденская банка в сборе. Буквами А, В и С обозначены ее составные части. А и В – это внутренняя и наружная обкладки банки. С – это стеклянный стакан, служащий диэлектриком. Такая банка в сборе заряжается при демонстрационном опыте, затем заряженная разбирается демонстратором в резиновых рукавицах. Для доказательства факта, что обкладки банки не имеют заряда, их контактируют друг с другом. Убеждаются, что искры нет. Затем банку собирают. К удивлению она оказывается снова заряженной и дает мощнейшую искру. Этот опыт ставил многих в тупик. А наука не терпит неясностей. Однако объяснение ситуации было дано только в 1922 году.

В том году в лондонском «Философском журнале» была напечатана статья физика Дж.Адденбрука «Изучение опытов Франклина с лейденской банкой», где автор пришел к удивительным результатам, расставившим все точки над i . Оказывается, стекло в обычных условиях всегда покрыто водяной пленкой, мы это наблюдаем по запотеванию окон. Кстати, эта пленка не всегда наблюдается визуально. Вот там то и остаются заряды на разбираемом конденсаторе и играют роль обкладок в стоящем отдельно стакане. При употреблении Адденбруком стакана не из стекла, а из парафина, на котором не образуется стеклянная пленка, получается результат противоположный франклиновскому. В сухой атмосфере «эффект Франклина» на разборной лейденской банке тоже не наблюдается.

Ларчик, оказывается, открывался просто. Но ключик к нему искали почти 175 лет.

1.В.Франклин. Опыты и наблюдения над электричеством. М., АН СССР, 1956, Стр. 29-30.

2. Ф.У.Т.Эпинус. Теория электричества и магнетизма. М., АН СССР, 1951, Стр. 70-92.

3. Жорж Клод. Электричество для всех и каждого удобопонятно изложенное бывшего воспитанника школы химии и физики в Париже. Перевод с франц. С-Петербург, Издание В.И.Губинского. Год издания не указан. (1918)

4. Л.Крыжановский. Загадка лейденской банки. «Квант» №11, 1991. с 28,29.

Автор статьи: Б. Г. Хасапов

Поделитесь этой статьей с друзьями:

Вступайте в наши группы в социальных сетях:

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.

Читайте далее:
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector