Введение

Лейденская банка (или бутылка Лейдена, или, устаревшее, банка Клейста) – это электрический компонент, предназначенный для накопления электрического заряда высокого напряжения (от внешнего источника) между проводниками, расположенными на внутренней и внешней поверхностях стеклянной банки. Обычно она состоит из стеклянной банки, на внутреннюю и внешнюю поверхности которой приклеены металлические фольги, и металлического вывода, вертикально проходящего через крышку банки для контакта с внутренней фольгой. Лейденская банка является первоначальной формой конденсатора (также называемого накопителем). Её изобретение было независимо открыто немецким священником Эвальдом Георгом фон Клейстом 11 октября 1745 года и голландским ученым Питером ван Мусшенбруком из Лейдена, Нидерланды, в 1745–1746 годах. Лейденская банка использовалась для проведения множества ранних экспериментов в области электричества, и её открытие имело фундаментальное значение для изучения электростатики. Это было первое устройство, позволяющее накапливать и сохранять значительные объемы электрического заряда, который можно было разряжать по желанию исследователя, тем самым устраняя существенное ограничение для ранних исследований в области электрической проводимости. Лейденские банки до сих пор применяются в образовательных целях для демонстрации принципов электростатики.

Предыдущие работы

Древние греки уже знали, что кусочки янтаря могут притягивать легкие частицы после трения. Янтарь электризуется благодаря трибоэлектрическому эффекту – механическому разделению заряда в диэлектрическом материале. Греческое слово для янтаря – ἤλεκτρον ("электрон") и является происхождением слова "электричество". Талес Милетский, философ досократического периода, считается первым, кто случайно заметил явление электростатической зарядки, поскольку верил, что даже неодушевленные предметы обладают душой, отсюда и распространенное сравнение с искрой. Около 1650 года Отто фон Геррике создал примитивный электростатический генератор: шарик из серы, вращающийся на оси. Когда Геррике прижимал руку к шарику и быстро вращал ось, накапливался статический электрический заряд. Этот эксперимент послужил толчком к разработке различных типов "фрикционных машин", которые значительно способствовали изучению электричества. Георг Маттиас Бозе (22 сентября 1710 – 17 сентября 1761) был известным экспериментатором в области электричества на ранних этапах развития электростатики. Ему принадлежит заслуга разработки первого способа временного хранения статических зарядов с использованием изолированного проводника (называемого первичным проводником). Его демонстрации и эксперименты вызвали интерес немецкого научного сообщества и широкой публики к развитию электрических исследований.

Открытие

Лейденская банка была по сути открыта независимо двумя группами исследователей: немецким диаконом Эвальдом Георгом фон Клейстом, сделавшим первое открытие, и голландскими учеными Питером ван Мусшенбруком и Андреасом Кунейсом, которые выяснили, почему она функционировала только при удержании в руке.

Фон Клейст

Эвальд Георг фон Клейст был диаконом в соборе Камина в Померании, регионе, который сейчас разделен между Германией и Польшей. Фон Клейсту приписывают первое использование аналогии жидкости для описания электричества, и он продемонстрировал это Бозу, высекая искры из воды своим пальцем. Он обнаружил огромную ёмкость лейденской банки, пытаясь показать, что стеклянный сосуд, наполненный спиртом, способен "улавливать" эту жидкость. В октябре 1745 года фон Клейст попытался накопить электричество в небольшой лекарской бутылочке, наполненной спиртом, вставив гвоздь в пробку. Он продолжал эксперимент, разработанный Георгом Маттиасом Бозе, в котором электричество пропускалось через воду для воспламенения спиртных напитков. Он попытался зарядить бутылку от большого первичного проводника (изобретенного Бозе), подвешенного над его электростатической машиной. Фон Клейст полагал, что стекло станет препятствием для утечки "жидкости", и поэтому был уверен, что в нём можно собрать и удержать значительный электрический заряд. Он получил ощутимый удар током от устройства, случайно коснувшись гвоздя через пробку, в то время как держал бутылку в другой руке. Он сообщил о своих результатах как минимум пяти другим экспериментаторам в серии писем с ноября 1745 года по март 1746 года, но не получил подтверждения повторения его опыта до апреля 1746 года. Польско-литовский физик Даниэль Гралат узнал об эксперименте фон Клейста, увидев его письмо Павлу Свитлицкому, написанное в ноябре 1745 года. После неудачной первой попытки воспроизвести эксперимент в декабре 1745 года, он обратился к фон Клейсту за дополнительной информацией (и ему ответили, что эксперимент будет успешнее, если использовать трубку, заполненную спиртом наполовину). Гралату (в сотрудничестве с) удалось добиться желаемого эффекта 5 марта 1746 года, удерживая в одной руке небольшую стеклянную лекарскую бутылочку с гвоздем внутри, поднося её к электростатическому генератору, а затем приближая другую руку к гвоздю. Фон Клейст не осознавал важности своей руки, удерживающей бутылку, и он, как и его корреспонденты, не решались держать устройство, узнав, что удар током может отбросить их через комнату. Прошло некоторое время, прежде чем студенты фон Клейста в Лейдене поняли, что рука играет существенную роль.

Мусшенбрук и Куней

Изобретение Лейденской банки долгое время приписывалось Питеру ван Мусшенбрук, профессору физики в Лейденском университете, который также управлял семейным литейным цехом, отливавшим латунные пушки, и небольшим предприятием (De Oosterse Lamp – "Восточная лампа"), производившим научные и медицинские инструменты для новых университетских курсов по физике и для ученых-любителей, стремившихся создать свои собственные "кабинеты" диковинок и инструментов. Как и фон Клейст, Мусшенбрук также интересовался экспериментом Бозе и пытался его повторить. В это время Андреас Куней, юрист, узнал об этом эксперименте от Мусшенбрук и попытался воспроизвести его дома, используя подручные средства. Не зная о "правиле Дюфая", согласно которому экспериментальный аппарат должен быть изолирован, Куней держал банку в руке во время зарядки и таким образом первым обнаружил, что такая установка может нанести серьезный удар током. Он сообщил о своей процедуре и опыте швейцарскому голландскому натуралисту Жану Николасу Себастьяну Аламанду, коллеге Мусшенбрук. Аламанд и Мусшенбрук также получили сильные удары током. Мусшенбрук описал эксперимент в письме от 20 января 1746 года французскому энтомологу Рене Антуану Ферхольту де Реамуру, который был назначенным корреспондентом Мусшенбрук в Парижской академии. Аббат Жан Антуан Ноле прочитал этот отчет, подтвердил эксперимент, а затем зачитал письмо Мусшенбрук на публичном заседании Парижской академии в апреле 1746 года.

Каналом Мусшенбрук для продажи "кабинетных" устройств своей компании во Франции был аббат Ноле (который начал строить и продавать дубликаты инструментов в 1735 году). Ноле назвал это устройство "Лейденской банкой" и рекламировал его как особый тип сосуда для своего круга состоятельных людей, интересующихся наукой. Таким образом, "Клейстианская банка" стала известна как Лейденская банка, и считалось, что она была открыта Питером ван Мусшенбрук и его знакомым Андреасом Кунеем. Однако Мусшенбрук никогда не заявлял, что изобрел ее.

Дальнейшее развитие событий

В течение нескольких месяцев после доклада Мусшенбрука о том, как надежно создать лейденскую банку, другие исследователи электричества изготавливали и экспериментировали со своими собственными лейденскими банками. Одним из его первоначальных интересов было выяснить, можно ли увеличить общий возможный заряд. Иоганн Генрих Винклер, чей первый опыт работы с одной лейденской банкой был описан в письме Королевскому обществу 29 мая 1746 года, соединил три лейденские банки вместе в виде электростатической батареи 28 июля 1746 года. В 1746 году аббат Ноле провел два эксперимента для увеселения короля Франции Людовика XV, в первом из которых он пропустил разряд лейденской банки через 180 королевских гвардейцев, а во втором – через большее число картезианских монахов; все они подпрыгнули в воздух более или менее одновременно. Мнения ни короля, ни испытуемых не были зафиксированы. Даниэль Грэлат сообщил в 1747 году, что в 1746 году он проводил эксперименты с соединением двух или трех банок, вероятно, последовательно, и разработал систему из 11 стеклянных панелей с тонкими свинцовыми пластинами, приклеенными с обеих сторон, а затем соединенными вместе. Он использовал термин «электрическая батарея» для описания своей электростатической батареи в письме 1749 года, касающемся его электрических исследований 1748 года. Возможно, выбор Франклином слова «батарея» был вдохновлен игривой каламбурной концовкой его письма, где он, среди прочего, упоминал о приветствии исследователям электричества от батареи орудий. Это первое зафиксированное использование термина «электрическая батарея». Начиная с конца 1756 года, Франц Эпинус, в результате сложного сочетания самостоятельной работы и сотрудничества с Йоханом Вильке, разработал «воздушный конденсатор» – вариант лейденской банки, в котором в качестве диэлектрика использовался воздух вместо стекла. Этот функционирующий аппарат, не содержащий стекла, создал проблему для объяснения лейденской банки, предложенного Бенджамином Франклином, которое утверждало, что заряд локализован в стекле.

Дизайн

Типичная конструкция состоит из стеклянной банки с проводящей оловянной фольгой, покрывающей внутреннюю и внешнюю поверхности. Покрытие фольги не доходит до горлышка банки, чтобы предотвратить пробой между фольгами. Металлический стержень-электрод проходит через непроводящую пробку в горлышке банки, электрически соединенный каким-либо образом (обычно подвешенной цепью) с внутренней фольгой, чтобы обеспечить возможность её зарядки. Банка заряжается электростатическим генератором или другим источником электрического заряда, подключенным к внутреннему электроду, при этом внешняя фольга заземлена. Внутренняя и внешняя поверхности банки накапливают равные по величине, но противоположные по знаку заряды. Изначальная форма устройства представляла собой стеклянную бутылку, частично заполненную водой, с металлическим проводом, проходящим через пробку, закрывающую её. Роль внешней пластины выполняла рука экспериментатора. Вскоре Джон Бевис обнаружил (в 1747 году), что можно покрыть внешнюю сторону банки металлической фольгой, а также установил, что можно добиться того же эффекта, используя стеклянную пластину с металлической фольгой с обеих сторон. Эти разработки вдохновили Уильяма Уотсона в том же году изготовить банку, облицованную металлической фольгой как внутри, так и снаружи, отказавшись от использования воды. Ранние экспериментаторы (например, Бенджамин Уилсон в 1746 году) сообщали, что чем тоньше диэлектрик и чем больше площадь поверхности, тем больший заряд можно накопить. Дальнейшие исследования в области электростатики показали, что диэлектрический материал не является необходимым, но увеличивает ёмкость (конденсаторную ёмкость) и предотвращает пробой между пластинами. Две пластины, разделенные небольшим расстоянием, также действуют как конденсатор, даже в вакууме.

Хранение заряда

Первоначально считалось, что заряд хранится в воде в ранних лейденских банках. В 1700-х годах американский государственный деятель и ученый Бенджамин Франклин провел обширные исследования как заполненных водой, так и обернутых фольгой лейденских банок, что привело его к выводу, что заряд хранится в стекле, а не в воде. Популярный эксперимент, предложенный Франклином и демонстрирующий это, заключается в разборке банки после ее зарядки и показе того, что на металлических пластинах обнаруживается незначительный заряд, следовательно, он должен находиться в диэлектрике. Первое задокументированное описание этой демонстрации содержится в письме Франклина 1749 года. Франклин разработал "разборную" лейденскую банку (справа), которая широко использовалась в демонстрациях. Она состоит из стеклянной чашки, помещенной между двумя плотно прилегающими металлическими чашками. Когда банку заряжают высоким напряжением и аккуратно разбирают, обнаруживается, что все ее части можно свободно брать в руки, не вызывая разрядки. Если части собрать обратно, из банки все еще можно получить большую искру. Эта демонстрация позволяет предположить, что конденсаторы хранят свой заряд внутри диэлектрика. Эта теория преподавалась на протяжении всего XIX века. Однако это явление является особым эффектом, вызванным высоким напряжением в лейденской банке. В разборной лейденской банке при разборке заряд переносится на поверхность стеклянной чашки посредством коронного разряда; это и является источником остаточного заряда после повторной сборки. При обращении с чашкой в разобранном состоянии не обеспечивается достаточный контакт для удаления всего поверхностного заряда. Содовое стекло гигроскопично и образует на своей поверхности частично проводящий слой, который удерживает заряд. Зелени (1944) подтвердил эти результаты и наблюдал перенос заряда коронным разрядом. Если заряженную лейденскую банку разрядить, замкнув внутреннее и внешнее покрытия, и оставить на несколько минут, банка восстановит часть своего прежнего заряда, и можно будет получить вторую искру. Часто это можно повторить, и можно получить серию из 4 или 5 искр, уменьшающихся в длине, через определенные промежутки времени. Этот эффект вызван диэлектрическим поглощением.

Пропускная способность

Лейденская банка – это высоковольтное устройство; по оценкам, максимальное напряжение, до которого могли быть заряжены ранние Лейденские банки, составляло от 20 000 до 60 000 вольт. На конце центрального стержневого электрода расположен металлический шар, предотвращающий утечку заряда в воздух из-за коронного разряда. Изначально она использовалась в экспериментах по электростатике, а затем – в высоковольтном оборудовании, таком как искровые радиопередатчики и аппараты для электротерапии. Первоначально ёмкость измерялась в количестве "банок" определённого размера или по общей площади покрытия, при условии разумно стандартной толщины и состава стекла. Типичная Лейденская банка объёмом в одну пинту имеет ёмкость около 1 нФ.

Применение

Начиная с конца XVIII века, лейденская банка использовалась в викторианской медицинской практике электротерапии для лечения различных заболеваний посредством электрического шока. К середине XIX века лейденская банка стала настолько распространена, что авторы могли предполагать, что их читатели знакомы с её принципом действия и понимают его. Около рубежа веков она начала широко применяться в искровых передатчиках и медицинском электротерапевтическом оборудовании. Развитие новой технологии радио в начале XX века стимулировало уменьшение размеров лейденских банок, а также снижение нежелательной индуктивности и сопротивления. Эти усовершенствования, наряду с улучшенными диэлектриками, привели к эволюции лейденской банки в современную компактную форму конденсатора.