Лейденская банка – история создания первого электрического конденсатора
Явление электризации тел трением было известно еще древним грекам. В частности о притягивании легких тел натертым шерстью янтарем писал Фалес Милетский в VI в. до н. э. и, собственно, от слова «янтарь» на греческом и происходит термин «электрика», введенный в современную терминологию англичанином Уильямом Гилбертом в его работе «О магните, магнитных телах и большом магните Земли» 1600 года. Автору Гилберта принадлежит и первый электроскоп – стеклянная колба с помещенным в ее центр металлическим стержнем, предназначенная для индикации наличия электрического заряда.
Первый электростатический генератор
Гравюра 1750 года, демонстрирующая устройство для получение статического электричестваСпустя полвека Отто фон Герике, работавший в Магдебурге, сконструировал первый электростатический генератор — шар из серы, который, вращаясь вокруг оси, при трении об руку производил электрический заряд.
Это устройство, в той или иной форме усовершенствованное несколькими изобретателями, на долгие годы стало основным для экспериментов по изучению статического электричества. Ими заинтересовался и декан кафедрального капитула города Каммин в Померании (ныне Камень-Поморский, Польша) Эвальд фон Клейст, намереваясь повторить один из трюков профессора Лейпцигского университета Георга Бозе, прославившегося зрелищными шоу с использованием т.н. «машин трения«.
В отличие от своих предшественников, считавших, что только изоляторы, которые в то время называли «электриками», могут накапливать статический заряд, Бозе в своем устройстве использовал погруженный в воду металлический стержень, искрой от которого он удивлял публику, зажигая спирт, разлитый на поверхности воды.
Эксперименты Клейста
Конструкция лейденской банкиКогда 11 октября 1745 года Клейст, пытаясь повторить этот трюк, одной рукой взялся за электрод, соединенный с электростатическим генератором, а другой придержал стеклянный сосуд, его поразил разряд тока, настолько сильный, что «показалось будто всему конец», как отметил он в тот день в дневнике.
Сделав вывод, что колба с водой «отняла электрический заряд» из металлического электрода, а стекло предотвращает «утечку заряда», Клейст немедленно поделился своими наблюдениями по меньшей мере с пятью учеными, в частности с Даниэлем Гралатом из Данцига, после нескольких неудачных попыток в 1746 году все же сумел повторить его опыт.
Шоу Георга Бозе были известны далеко за пределами Германии и среди тех, кто пытался их повторить, был и профессор физики Лейденского университета голландец Питер ван Мушенбрук. Эксперименты, проведенные им вместе с ассистентом Жаном-Николя Аламандом и приятелем Андреасом Кунесом увенчались успехом, о чем Мушенбрук 20 января 1746 г. письмом сообщил своему французскому коллеге Рене Реомюру. Тот поделился новостью с Жаном-Антуаном Нолле, который, несмотря на оговорку Мушенбрука, повторил его «новый и крайне опасный» эксперимент, о чем в апреле доложил на заседании Парижской академии наук, назвав устройство для накопления электрического заряда Лейденской банкой.
Изобретение Мушенбрука
Обнаружение лейденской банки в лаборатории МушенбрукаНовость об изобретении Мушенбрука мгновенно разлетелась по миру. Пытаясь его усовершенствовать, Иоганн Винклер из Лейпцига переместил электрод из середины стеклянного сосуда поближе к его внутренней стенке, впоследствии заменив его цилиндром из металлической фольги. Он экспериментировал с различными наполнителями Лейденской банки, такими как масло и вино, и установил, что количество накопленного ею электрического заряда зависит от площади электрода и его расстояния до стеклянной поверхности, о чем 29 мая 1746 года письмом сообщил Лондонскому королевскому обществу по развитию знаний о природе.
Через два месяца Винклер и независимо от него Даниэль Гралат провели эксперименты с соединением, вероятно, последовательным двух-трех Лейденских банок, которое впоследствии американцем Бенджамином Франклином было названо «электрической батареей».
Лейденская банка получает современный вид
Батарея из параллельно соединённых 25 лейденских банок, музей Тейлора, ХарлемВ 1747 году Лейденская банка приобрела свой современный вид — двое лондонских врачей Уильям Уотсон и Джон Бевис отказались от наполнения ее жидкостью или мелкими свинцовыми шариками, и, покрыв внешнюю и внутреннюю поверхность стеклянного цилиндрического сосуда тонкой фольгой из олова, создали первый конденсатор.
В том же году Уотсон попытался измерить скорость передачи электричества, для чего соединил Лейденскую банку кабелем, проложенным лондонским Вестминстерским мостом через Темзу, другой конец которого подключил к собственному телу: из-за мгновения впечатления разрядом был сделан вывод, что передача электрического заряда происходит слишком быстро, чтобы ее можно было определить экспериментально.
Наконец, в конце 1756 года член Прусской академии наук Франц Эпинус и независимо от него шведский физик Юхан Вильке модифицировали Лейденскую банку, заменив в ней стекло воздухом, а в 1783 году итальянец Алесандро Вольта, изучая то, что сейчас называется электрической емкостью, создал первый плоский конденсатор.
Лейденские банки той или иной конструкции использовали преимущественно в медицинской отрасли для электротерапии, особенно популярной в Викторианскую эпоху, вплоть до конца XIX века, когда они нашли применение в искровых радиопередатчиках. Дальнейший технический прогресс в области радио и телекоммуникации потребовал увеличения надежности электрических устройств и в 1900-х годах на смену Лейденской банке пришли более компактные бумажные, а впоследствии — фарфоровые и слюдяные конденсаторы.
Поделиться
Лейденская банка: формула, история, конструкция
Содержание
- 1 Математическое выражение емкости
- 2 Из истории
- 2.1 Двигатель прогресса
- 2.2 Лейденская банка
- 2.3 Мушенбрук
- 3 Конструкция лейденской банки
- 4 После лейденской банки
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.
Банка
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:
- 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. - 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.
- 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.
- 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).
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.
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:
- В Берлин доктору Либеркуну.
- В Галле доктору Крюгеру.
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.
Электромагнетизм | Определение, уравнения и факты
электрическое поле
Посмотреть все СМИ
- Ключевые люди:
- Майкл Фарадей Уильям Томсон, барон Кельвин Джеймс Клерк Максвелл Карл Фридрих Гаусс Дж.Дж. Томсон
- Похожие темы:
- электромагнитное излучение электричество Кулоновская сила магнитная сила электромагнитное поле
См. весь связанный контент →
электромагнетизм , наука о заряде и силах и полях, связанных с зарядом. Электричество и магнетизм — два аспекта электромагнетизма.
Электричество и магнетизм долгое время считались отдельными силами. Лишь в 19 веке к ним, наконец, стали относиться как к взаимосвязанным явлениям. В 1905 году специальная теория относительности Альберта Эйнштейна вне всяких сомнений установила, что оба явления являются аспектами одного общего явления. Однако на практическом уровне электрические и магнитные силы ведут себя совершенно по-разному и описываются разными уравнениями.
Поймите, как концепция прикосновения меняется при наличии электронов между двумя объектами
Посмотреть все видео к этой статьеЭлектрические явления происходят даже в нейтральной материи, потому что силы действуют на отдельные заряженные составляющие. В частности, электрическая сила отвечает за большинство физических и химических свойств атомов и молекул. Она невероятно сильна по сравнению с гравитацией. Например, отсутствие хотя бы одного электрона из каждого миллиарда молекул у двух 70-килограммовых (154 фунтов) людей, стоящих на расстоянии двух метров (двух ярдов) друг от друга, отталкивало бы их с силой в 30 000 тонн. В более привычном масштабе электрические явления ответственны за молнии и гром, сопровождающие некоторые бури.
Электрические и магнитные силы можно обнаружить в областях, называемых электрическими и магнитными полями.
Эти поля фундаментальны по своей природе и могут существовать в пространстве вдали от заряда или тока, которые их породили. Примечательно, что электрические поля могут создавать магнитные поля и наоборот независимо от внешнего заряда. Изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле, как обнаружил английский физик Майкл Фарадей в работе, которая лежит в основе производства электроэнергии. И наоборот, изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, как пришел к выводу шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл. Математические уравнения, сформулированные Максвеллом, включили световые и волновые явления в электромагнетизм. Он показал, что электрические и магнитные поля путешествуют вместе в пространстве как волны электромагнитного излучения, при этом изменяющиеся поля взаимно поддерживают друг друга. Примерами электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве независимо от материи, являются радио- и телевизионные волны, микроволны, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи и гамма-лучи.
Викторина “Британника”
Викторина “Все о физике”
Уравнения Максвелла до сих пор дают полное и элегантное описание электромагнетизма вплоть до субатомного масштаба, но не включая его. Однако интерпретация его работ была расширена в 20 веке. Специальная теория относительности Эйнштейна объединила электрические и магнитные поля в одно общее поле и ограничила скорость всего вещества скоростью электромагнитного излучения. В конце 19В 60-х годах физики обнаружили, что другие силы в природе имеют поля с математической структурой, аналогичной электромагнитному полю. Этими другими силами являются сильное взаимодействие, ответственное за выделение энергии при ядерном синтезе, и слабое взаимодействие, наблюдаемое при радиоактивном распаде нестабильных атомных ядер.
Важным аспектом электромагнетизма является наука об электричестве, которая занимается изучением поведения агрегатов заряда, включая распределение заряда в материи и перемещение заряда с места на место. Различные типы материалов классифицируются как проводники или изоляторы в зависимости от того, могут ли заряды свободно перемещаться через составляющие их вещества. Электрический ток является мерой потока зарядов; законы, управляющие токами в материи, важны в технике, особенно в производстве, распределении и контроле энергии.
Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас
Понятие напряжения, так же как заряда и тока, является фундаментальным для науки об электричестве.
Напряжение — это мера склонности заряда перетекать из одного места в другое; положительные заряды обычно имеют тенденцию перемещаться из области высокого напряжения в область более низкого напряжения. Распространенной проблемой в электричестве является определение соотношения между напряжением и током или зарядом в данной физической ситуации.
В этой статье делается попытка дать качественное понимание электромагнетизма, а также количественную оценку величин, связанных с электромагнитными явлениями.
Повседневная жизнь современного человека пронизана электромагнитными явлениями. Когда лампочка включена, через тонкую нить в колбе течет ток, который нагревает нить до такой высокой температуры, что она светится, освещая все вокруг. Электрические часы и соединения связывают простые устройства такого типа в сложные системы, такие как светофоры, которые отсчитывают время и синхронизируются со скоростью транспортного потока. Радиоприемники и телевизоры получают информацию, переносимую электромагнитными волнами, распространяющимися в пространстве со скоростью света.
Лейденские банки – 1745 – Магнитная академия
Поскольку они могли хранить значительное количество заряда, лейденские банки позволили ученым экспериментировать с электричеством так, как никогда раньше.
Добывать и хранить электричество сложнее, чем ловить светлячков, но и то, и другое часто требует использования банок! Первым изобретённым устройством, которое могло приобретать электрический заряд и хранить его до тех пор, пока ученый не захочет использовать его для эксперимента или демонстрации, была лейденская банка. Названная в честь одного из университетов (Лейденский университет), в котором она была впервые использована для исследований, лейденская банка была разработана самостоятельно в середине 18 века Э.
Георг фон Клейст в Германии и Питер ван Мусшенбрук в Нидерландах.
Лейденские банки со временем превратились в более сложные и эффективные устройства, но самые ранние версии были очень простыми. Они состояли из стеклянных колпаков, покрытых металлической фольгой на внутренней и внешней поверхностях. Банки были наполнены водой (а иногда и пивом!) и имели пробку с протянутой через нее проволокой. Свободный конец провода позволял подключить устройство к электростатическому генератору, который служил быстрым и простым источником электричества. Несколько более продвинутая модель, показанная здесь, имеет внешнюю металлическую сферу, соединенную с внутренней частью лейденской банки латунным стержнем, оканчивающимся цепью, а не простым проводом.
Сначала люди думали, что жидкость в лейденской банке хранит электричество, но путем экспериментов ученые обнаружили, что вода не нужна. Более поздние модели были пустыми, но все же работали, ведь основное требование к функционирующей лейденской банке — наличие двух проводников, разделенных изолятором.
Обычно два слоя металлической фольги служат проводниками в лейденской банке, а стекло является изолятором, поэтому в воде (также проводнике) не было необходимости. При использовании с электростатическим генератором заряд перетекает от генератора к металлической сфере или другому свинцу в лейденской банке и накапливается во внутреннем слое проводящей фольги, поскольку он блокируется от дальнейшего движения изоляционным стеклом. В то же время внешний слой фольги создает противоположный заряд от земли, потому что положительно заряженные частицы притягиваются к отрицательным частицам, скапливающимся внутри банки. До тех пор, пока каким-либо образом не будут освобождены, равные, но противоположные заряды на противоположных сторонах лейденской банки остаются на месте.
Чтобы высвободить электричество в лейденской банке, необходимо обеспечить путь, по которому может перемещаться накопленный заряд. Для этого можно использовать проволоку, прут или даже человеческую руку. На самом деле, в одной из любимых электрических демонстраций Бенджамина Франклина участвовало множество людей, стоящих в кругу и держащихся за руки.
