Leydeno stiklainis — kas tai? Pirmasis kondensatorius ir jo istorija

Leydeno stiklainis: pirmasis kondensatorius ir jo įspūdinga istorija — nuo von Kleisto atradimo iki elektros saugojimo ištakų.

Leideno stiklainis (arba Leideno stiklainis) - tai prietaisas statinei elektrai kaupti. Tai didelis stiklinis butelis, paprastai iš vidaus ir iš išorės išklotas metaline folija. Kai kurių ankstyvųjų stiklainių viduje buvo vandens. Jie leidžia eksperimentatoriui surinkti didelį krūvio kiekį.

Tai pirmoji elektros energijos saugojimo forma. Šiandien šie metodai vadinami kondensatoriais arba kondensatoriais.

Pirmąjį elektrinį indą 1745 m. spalio 11 d. sukūrė dekanas Edvaldas von Kleistas. Jis buvo Kammino katedros dekanas Pomeranijoje, šiaurinėje Vokietijos pakrantėje (tuo metu tai buvo atskira valstybė). Jam rūpėjo išsiaiškinti, ar statinę elektrą galima saugoti butelyje, nes jis žinojo, kad elektra neprasiskverbia pro stiklą. Jis manė, kad gali pavykti surinkti ir išlaikyti nedidelį jos kiekį. Jis turėjo tik nedidelį eksperimentinį trinties generatorių.

Jis tūkstantį kartų neįvertino, kiek elektros energijos telpa mažame vaistų buteliuke. Elektros ypatybė leidžia jai ir toliau tekėti į buteliuką, jei buteliuko išorėje yra elektrai laidus paviršius, sujungtas su žeme. Tai neutralizuoja krūvio, bandančio grįžti atgal, slėgį.

F. von Kleisto atveju šis elektrai laidus paviršius buvo tik jo ranka, tačiau to pakako, kad per jo į kamštį įkaltą vinį į stiklainį patektų ir jame išliktų labai didelis krūvis.

Kai jis netyčia palietė vinį, jį ištiko toks smūgis, kad jis perskriejo per visą kambarį. Jis užmezgė ryšį tarp vidinio krūvio ir susikaupusio išorinio krūvio, o kadangi šie buvo priešingų ženklų (vienas teigiamas, kitas neigiamas), visas susikaupęs krūvis tekėjo per jo kūną.

Jis nesuprato, kodėl šis stiklainis saugomas taip efektyviai, bet nusiuntė užšifruotą aprašymą keliems bendradarbiams į Berlyną, o vieną kopiją nusiuntė senam von Kleino universiteto bendradarbiui Andreasui Cunaeusui, iš kur ji pateko į Pieterio van Musschenbroeko, kuris buvo pagrindinis Leydeno universiteto fizikos profesorius, rankas. Jis išsiaiškino, kad laikymo talpa labai pagerėjo tik tada, kai kolba buvo laikoma rankoje, o jo laiškas mokslininkui Prancūzijoje suteikė stiklainiui Leydeno stiklainio pavadinimą.

Daugelį metų Leydeno stiklainis buvo pagrindinė elektros saugojimo priemonė, ir tokia ji išliko iki cheminės baterijos ir šiandien naudojamų elektros generatorių išradimo.

Kaip Leydeno stiklainis veikia

Esminė idėja – dvi laidžios dalys, atskirtos dielektriku (stiklu). Viduje ir išorėje esančios metalinės plokštelės arba folija atlieka vidinį ir išorinį elektrodus. Kai į vidinį elektrodą tiekiama statinė elektra, ant jo sukaupiamas krūvis; tuo pačiu metu priešingo ženklo krūvis susiformuoja ant išorinės folijos. Stiklas veikia kaip dielektrikas, neleidžiantis krūviui tiesiogiai pereiti tarp elektrodų, todėl krūvis išlieka, kol elektrodai sujungti laidumu (pvz., per žmogaus kūną arba laidininką).

Energetiškai saugoma energija kondensatoriuje apskaičiuojama pagal formulę U = 1/2 C V^2, kur C – talpa, V – įtampa. Talpa priklauso nuo dielektriko savybių ir geometrijos; idealizuotai ją galima apibūdinti kaip C ≈ ε A / d (ε – dielektrinė konstanta, A – plokštelių paviršiaus plotas, d – atstumas tarp jų).

Konstrukcija ir variantai

• Ankstyvieji modeliai: dažnai naudota vandeniu užpildyta kolba su įkertama vinimi arba laido atveda krūvį į vandenį; išorė buvo laikoma rankoje arba apklijuota metaline folija.
• Vėlesnės modifikacijos: stiklainiai su plona išorine ir vidine metaline folija (aliuminio arba kitokios plėvelės), kamštis su centriniais laidininkais, izoliuojančios stovas konstrukcijai.
• Forma: gali būti butelio, cilindro arba sferos formos – keičiasi talpa ir išlydžio ypatybės.

Praktiniai panaudojimai ir demonstracijos

Leydeno stiklainiai buvo naudojami elektros eksperimentams XVIII–XIX a., pavyzdžiui:

• Krūvio kaupimo ir iškrovimo demonstracijos (galingi elektros smūgiai, žiežirbos tarp elektrodų).
• Kelių stiklainių sujungimas į seriją arba lygiagrečiai siekiant didinti įtampą arba talpą (ankstyvosios “baterijos” elektros eksperimentuose).
• Elektrostatikos tyrimai – laidumo, dielektrikų savybių tyrimas, įtampos skirstymo stebėjimai.

Istorinė reikšmė

Leydeno stiklainis žymiai pagreitino elektrostatikos ir elektrinių prietaisų vystymąsi. Jis leido saugoti ir panaudoti elektros krūvį eksperimentuose, kas padėjo suformuoti teorines žinias apie krūvį, potencialą ir laidumą. Tai buvo pirmas praktiškas kondensatorius – prototipas šiandieninių kondensatorių, naudojamų elektronikoje, energijos saugojime ir filtravime.

Saugos pastabos

• Leydeno stiklainis gali išlaikyti didelę įtampą ir pavojingą krūvį ilgą laiką. Net jei prietaisas nebuvo naudojamas kelias dienas, jį gali tekti iškrauti saugiai prieš liesti.
• Iškrovimas turi būti atliekamas per varžą arba specialų įrankį, kad būtų išvengta didelių srovių šuolių ir žiežirbų.
• Nenaudokite neizoliuotų laidų ar nepatikrintų metodų – elektros smūgis gali būti mirtinas.

Šiuolaikiniai kondensatoriai

Nors Leydeno stiklainiai šiandien labiau yra istorinis eksponatas arba demonstracinis įrankis, jų principas išliko – dvi laidžios srities, atskirtos dielektriku. Šiuolaikiniai kondensatoriai naudoja plonas metalines plėveles, ceramiką, folijas ir specialias dielektrines medžiagas, tad yra mažesni, patikimesni ir turi didesnę talpą vienam tūrio vienetui.

Leydeno stiklainiai taip pat yra dažnai sutinkami mokslo muziejuose ir universitetų eksperimentiniuose kabinetuose kaip svarbus žingsnis elektros mokslo istorijoje.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra Leydeno stiklainis?

K: Kas išrado pirmąjį elektrinį stiklainį?

K: Kaip von Kleistas sukūrė savo išradimą?

K: Kokia ypatinga savybė leidžia elektros energijai toliau tekėti į Leydeno stiklainį?

K: Kas pavadino šį išradimą "Leydeno stiklainiu"?

K. Kiek laiko šis išradimas išliko pagrindine elektros energijos kaupimo priemone?

Paieška pagal raidę