Leyden krukke - Leyden jar

Tidlig vannfylt Leyden-krukke, bestående av en flaske med en metallspyd gjennom proppen for å komme i kontakt med vannet
Senere en mer vanlig type ved bruk av metallfolie, 1919

En Leyden-krukke (eller Leiden-krukke , eller arkaisk, noen ganger kleistisk krukke ) er en elektrisk komponent som lagrer en høyspent elektrisk ladning (fra en ekstern kilde) mellom elektriske ledere på innsiden og utsiden av en glassburk. Den består vanligvis av en glassburk med metallfolie sementert på innsiden og utsiden, og en metallterminal som stikker loddrett gjennom glasslokket for å komme i kontakt med den indre folien. Det var den opprinnelige formen på kondensatoren (også kalt kondensator ).

Oppfinnelsen var en oppdagelse gjort uavhengig av den tyske geistlige Ewald Georg von Kleist 11. oktober 1745 og av den nederlandske forskeren Pieter van Musschenbroek fra Leiden (Leyden) i 1745–1746. Oppfinnelsen ble oppkalt etter byen.

Leyden -krukken ble brukt til å utføre mange tidlige eksperimenter med elektrisitet, og dens oppdagelse var av grunnleggende betydning i studiet av elektrostatikk . Det var det første middelet for å akkumulere og bevare elektrisk ladning i store mengder som kunne tømmes etter eksperimentatorens vilje, og dermed overvinne en betydelig grense for tidlig forskning på elektrisk ledning. Leyden -krukker brukes fortsatt i utdanningen for å demonstrere prinsippene for elektrostatikk.

Historie

Oppdagelse av Leyden -krukken i Musschenbroeks laboratorium. Den statiske elektrisiteten som ble produsert av den elektrostatiske generatoren for den roterende glassfære ble ledet av kjeden gjennom den suspenderte stangen til vannet i glasset som ble holdt av assistent Andreas Cunaeus. En stor ladning akkumulert i vannet og en motsatt ladning i Cunaeus 'hånd på glasset. Da han berørte ledningen som dyppet i vannet, fikk han et kraftig sjokk.
Et batteri med fire vannfylte Leyden-krukker, Museum Boerhaave , Leiden

De gamle grekerne visste allerede at biter av rav kunne tiltrekke seg lette partikler etter å ha blitt gnidd. Det gule blir elektrifisert av triboelektrisk effekt , mekanisk separering av ladning i et dielektrikum . Det greske ordet for rav er ἤλεκτρον ("ēlektron") og er opprinnelsen til ordet "elektrisitet". Det antas at Thales of Miletus, en før-sokratisk filosof ved et uhell har kommentert fenomenene elektrostatisk lading, på grunn av hans tro på at selv livløse ting har en sjel i seg, derav den populære analogien til gnisten.

Rundt 1650 bygde Otto von Guericke en rå elektrostatisk generator : en svovelkule som roterte på en aksel. Da Guericke holdt hånden mot ballen og snudde skaftet raskt, bygde det seg en statisk elektrisk ladning . Dette eksperimentet inspirerte utviklingen av flere former for "friksjonsmaskiner", som i stor grad hjalp til med å studere elektrisitet.

Leyden -krukken ble effektivt oppdaget uavhengig av to parter: Den tyske diakonen Ewald Georg von Kleist , som gjorde den første oppdagelsen, og de nederlandske forskerne Pieter van Musschenbroek og Andreas Cunaeus, som fant ut hvordan det fungerte bare når det ble holdt i hånden.

Leyden -krukken er en høyspenningsapparat; det anslås at maksimalt de tidlige Leyden -glassene kan lades til 20 000 til 60 000 volt. Midtstangelektroden har en metallkule på enden for å forhindre lekkasje av ladningen i luften ved koronautladning . Den ble først brukt i elektrostatikkeksperimenter , og senere i høyspenningsutstyr som gnistgapradiosendere og elektroterapimaskiner .

Von Kleist

Ewald Georg von Kleist oppdaget den enorme lagringskapasiteten til Leyden -krukken mens han jobbet under en teori som så elektrisitet som en væske, og håpet at en glassburk fylt med alkohol ville "fange" opp denne væsken. Han var diakon ved katedralen i Camin i Pommern.

I oktober 1745 prøvde von Kleist å samle strøm i en liten medisinflaske fylt med alkohol med en spiker satt inn i korken. Han fulgte opp et eksperiment utviklet av Georg Matthias Bose der strøm hadde blitt sendt gjennom vann for å sette brennevin i brann. Han forsøkte å lade flasken fra en stor hovedleder (oppfunnet av Bose) suspendert over friksjonsmaskinen hans.

Kleist var overbevist om at en betydelig elektrisk ladning kunne samles opp og holdes inne i glasset, som han visste ville utgjøre et hinder for flukten av 'væsken'. Han mottok et betydelig sjokk fra enheten da han ved et uhell berørte spikeren gjennom korken mens han fortsatt vugget flasken i den andre hånden. Han formidlet resultatene sine til minst fem forskjellige elektriske eksperimenter, i flere brev fra november 1745 til mars 1746, men fikk ingen bekreftelse på at de hadde gjentatt resultatene hans, før i april 1746. Daniel Gralath lærte om Kleists eksperiment fra å se brevet til Paul Swietlicki, skrevet i november 1745. Etter Gralaths mislykkede første forsøk på å gjenskape eksperimentet i desember 1745, skrev han til Kleist for mer informasjon (og ble fortalt at eksperimentet ville fungere bedre hvis røret var halvfylt med alkohol). Gralath (i samarbeid med Gottfried Reyger  [ de ] ) lyktes i å få den tiltenkte effekten 5. mars 1746, holdt en liten medisinflaske i glass med en spiker inne i den ene hånden, flyttet den nær en elektrostatisk generator og deretter flyttet den andre hånden nær neglen. Kleist forsto ikke betydningen av at den ledende hånden holdt flasken - og både han og hans korrespondenter var motvillige til å holde enheten da de ble fortalt at sjokket kunne kaste dem over rommet. Det tok litt tid før Kleists studiekollegaer på Leyden fant ut at hånden ga et vesentlig element.

Musschenbroek og Cunaeus

Leyden -glassets oppfinnelse ble lenge kreditert Pieter van Musschenbroek , fysikkprofessoren ved University of Leiden , som også drev et familiestøperi som støpte messingkanoner, og en liten bedrift ( De Oosterse Lamp - "The Eastern Lamp") som gjorde vitenskapelige og medisinske instrumenter for de nye universitetskursene i fysikk og for vitenskapelige herrer som er ivrige etter å etablere sine egne 'skap' med nysgjerrigheter og instrumenter .

Ewald Kleist får æren av at han først brukte væskeanalogien for elektrisitet og demonstrerte dette for Bose ved å trekke gnister fra vannet med fingeren.

I likhet med Kleist var Musschenbroek også interessert i og forsøkte å gjenta Boses eksperiment. I løpet av denne tiden kom Andreas Cunaeus, en advokat, for å lære om dette eksperimentet ved å besøke Musschenbroeks laboratorium, og Cunaeus forsøkte å kopiere eksperimentet hjemme med husholdningsartikler. Ved å bruke et glass øl klarte Cunaeus ikke å få det til å fungere.

Cunaeus var den første som oppdaget at et slikt eksperimentelt oppsett kunne gi et alvorlig sjokk da han holdt glasset i hånden mens han lader det i stedet for å plassere det på et isolert stativ, uten å innse at det var standardpraksis, og dermed gjøre seg til en del av krets. Han rapporterte sin prosedyre og erfaring til Allamand , Musschenbroeks kollega. Allamand og Musschenbroek fikk også alvorlige sjokk. Musschenbroek formidlet eksperimentet i et brev fra 20. januar 1746 til René Antoine Ferchault de Réaumur , som var Musschenbroeks utnevnte korrespondent ved Paris Academy. Abbé Nollet leste denne rapporten, bekreftet eksperimentet og leste deretter Musschenbroeks brev i et offentlig møte i Paris -akademiet i april 1746 (oversetter fra latin til fransk).

Musschenbroeks utsalgssted i Frankrike for salg av selskapets 'skap' enheter var Abbé Nollet (som begynte å bygge og selge dupliserte instrumenter i 1735). Nollet ga deretter den elektriske lagringsenheten navnet "Leyden jar" og promoterte den som en spesiell type kolbe til markedet for velstående menn med vitenskapelig nysgjerrighet. Den "kleistiske krukken" ble derfor fremmet som Leyden -krukken , og som oppdaget av Pieter van Musschenbroek og hans bekjente Andreas Cunaeus. Musschenbroek hevdet imidlertid aldri at han hadde oppfunnet det, og noen tror at Cunaeus ble nevnt bare for å redusere æren for ham.

Videre utvikling

I løpet av måneder etter Musschenbroeks rapport om hvordan man på en pålitelig måte kan lage en Leyden -krukke, lagde og eksperimenterte andre elektriske forskere med sine egne Leyden -krukker. En av hans uttrykte opprinnelige interesser var å se om den totale mulige avgiften kunne økes.

Johann Heinrich Winckler , hvis første erfaring med en enkelt Leyden -krukke ble rapportert i et brev til Royal Society 29. mai 1746, hadde koblet tre Leyden -krukker sammen i et slags elektrostatisk batteri 28. juli 1746. I 1746 utførte Abbé Nollet to eksperimenter for oppbyggingen av kong Ludvig XIV av Frankrike, i den første utladet han en Leyden -krukke gjennom 180 kongelige gardister , og i den andre gjennom et større antall karthusiske munker ; som alle sprang ut i luften mer eller mindre samtidig. Meningene til verken kongen eller forsøkspersonene er registrert. Daniel Gralath rapporterte i 1747 at han i 1746 hadde utført eksperimenter med å koble til to eller tre krukker, sannsynligvis i serie . I 1746-1748 eksperimenterte Benjamin Franklin med å lade Leyden-krukker i serie, og utviklet et system med 11 glassruter med tynne blyplater limt på hver side, og deretter koblet sammen. Han brukte begrepet "elektrisk batteri" for å beskrive sitt elektrostatiske batteri i et brev fra 1749 om sin elektriske forskning i 1748. Det er mulig Franklins valg av ordet batteri ble inspirert av det humoristiske ordspillet i slutten av brevet hans, hvor han skrev blant annet om en honnør til elektriske forskere fra et batteri med våpen . Dette er den første registrerte bruken av begrepet elektrisk batteri . Den mangfoldige og raske utviklingen for tilkobling av Leyden -krukker i perioden 1746–1748 resulterte i en rekke forskjellige beretninger i sekundærlitteratur om hvem som lagde det første "batteriet" ved å koble Leyden -krukker, enten de var i serie eller parallell, og hvem som først brukte begrepet "batteri". Begrepet ble senere brukt om kombinasjoner av flere elektrokjemiske celler, den moderne betydningen av begrepet "batteri".

Den svenske fysikeren, kjemikeren og meteorologen, Tobern Bergman oversatte mye av Benjamin Franklins skrifter om elektrisitet til tysk og fortsatte å studere elektrostatiske egenskaper.

Fra slutten av 1756 utviklet Franz Aepinus , i et komplisert samspill mellom samarbeid og uavhengig arbeid med Johan Wilcke , en "luftkondensator", en variant av Leyden -krukken, ved å bruke luft i stedet for glass som dielektrikum. Dette fungerende apparatet, uten glass, skapte et problem for Benjamin Franklins forklaring av Leyden -krukken, som hevdet at ladningen lå i glasset.

Fra slutten av 1700 -tallet ble den brukt i det viktorianske medisinske feltet elektroterapi for å behandle en rekke sykdommer ved elektrisk støt. På midten av 1800 -tallet hadde Leyden -krukken blitt vanlig nok til at forfattere antok at leserne kjente til og forsto den grunnleggende driften. Rundt århundreskiftet begynte den å bli mye brukt i gnistgapssendere og medisinsk utstyr for elektroterapi . På begynnelsen av 1900 -tallet fikk forbedret dielektrikum og behovet for å redusere størrelsen og uønsket induktans og motstand for bruk i den nye radioteknologien at Leyden -krukken utviklet seg til den moderne kompakte formen for kondensator .

Design

Leyden krukke konstruksjon.

En typisk konstruksjon består av en glasskrukke med å drive aluminiumsfolie belegning av de indre og ytre overflater. Foliebeleggene stopper like ved munnen på glasset, for å forhindre at ladningen kommer mellom foliene. En metallstang elektroden stikker ut gjennom det ikke-ledende propp ved munningen av glasset, elektrisk forbundet med en eller annen måte (som regel en hengende kjede) til den indre folie, for å tillate det å bli belastet. Krukken lades av en elektrostatisk generator , eller en annen kilde til elektrisk ladning, koblet til den indre elektroden mens den ytre folien er jordet . De indre og ytre overflater av glasset lagrer like, men motsatte ladninger.

Den opprinnelige formen på enheten er bare en glassflaske delvis fylt med vann, med en metalltråd som passerer gjennom en kork som lukker den. Rollen til den ytre platen er gitt av eksperimentatorens hånd. Snart fant John Bevis (i 1747) at det var mulig å belegge glassets ytre med metallfolie, og han fant også ut at han kunne oppnå samme effekt ved å bruke en glassplate med metallfolie på begge sider. Denne utviklingen inspirerte William Watson samme år til å få en krukke laget med en metallfolie som fôret både inne og ute, og slippe bruken av vann.

Tidlige eksperimenter (som Benjamin Wilson i 1746) rapporterte at jo tynnere dielektrikumet og jo større overflate, desto større ladning kan akkumuleres.

Videre utvikling innen elektrostatikk avslørte at det dielektriske materialet ikke var avgjørende, men økte lagringskapasiteten ( kapasitans ) og forhindret buing mellom platene. To plater atskilt med en liten avstand fungerer også som kondensator, selv i et vakuum .

Lagring av ladningen

"Dissekterbar" Leyden -krukke, 1876
Måler Leyden -krukke

Det ble opprinnelig antatt at ladningen ble lagret i vannet i tidlige Leyden -krukker. På 1700-tallet utførte den amerikanske statsmannen og forskeren Benjamin Franklin omfattende undersøkelser av både vannfylte og folie Leyden-krukker, noe som førte til at han konkluderte med at ladningen var lagret i glasset, ikke i vannet. Et populært eksperiment, på grunn av Franklin, som ser ut til å demonstrere at dette innebærer å ta en krukke fra hverandre etter at den er ladet og vise at lite ladning kan bli funnet på metallplatene, og derfor må den være i dielektrikumet . Den første dokumenterte forekomsten av denne demonstrasjonen er i et brev fra 1749 av Franklin. Franklin designet en "dissekterbar" Leyden -krukke (til høyre) , som ble mye brukt i demonstrasjoner. Krukken er konstruert av en glasskopp som er nestet mellom to ganske tettsittende metallkopper. Når glasset er ladet med høy spenning og demontert forsiktig, oppdages det at alle delene kan håndteres fritt uten å tømme krukken. Hvis brikkene settes sammen igjen, kan det fortsatt oppnås en stor gnist fra den.

Denne demonstrasjonen ser ut til å antyde at kondensatorer lagrer ladningen i dielektrikumet. Denne teorien ble undervist gjennom 1800 -tallet. Dette fenomenet er imidlertid en spesiell effekt forårsaket av høyspenningen på Leyden -krukken. I den dissekterbare Leyden -krukken overføres ladning til overflaten av glasskoppen ved koronautladning når glasset demonteres; dette er kilden til gjenværende ladning etter at glasset er satt sammen igjen. Håndtering av koppen mens den er demontert gir ikke nok kontakt til å fjerne all overflateladning. Brusglass er hygroskopisk og danner et delvis ledende belegg på overflaten, som holder ladningen. Addenbrooke (1922) fant at ladningen ble liggende på metallplatene i en dissekbar krukke laget av parafinvoks eller glass bakt for å fjerne fuktighet. Zeleny (1944) bekreftet disse resultatene og observerte koronaoverføringen.

Mengde av kostnad

Opprinnelig ble mengden kapasitans målt i antall " krukker " av en gitt størrelse, eller gjennom det totale belagte området, forutsatt rimelig standard tykkelse og sammensetning av glasset. En typisk Leyden -krukke med en halvliter har en kapasitans på omtrent 1 nF .

Gjenværende kostnad

Hvis en ladet Leyden -krukke tømmes ved å kutte de indre og ytre beleggene og la den sitte i noen minutter, vil krukken gjenopprette noe av den forrige ladningen, og en annen gnist kan oppnås fra den. Ofte kan dette gjentas, og en serie på 4 eller 5 gnister, avtagende i lengde, kan oppnås med intervaller. Denne effekten er forårsaket av dielektrisk absorpsjon .

Se også

Merknader

Referanser

Eksterne linker