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.
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:
- Повышение площади электродов, что позволит рассредоточить заряды, а также снизить взаимно отталкивающие силы.
- 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.
Источник: