Сто восемьдесят королевских гвардейцев в парадных мундирах в Версале в присутствии его величества короля Франции берутся за руки и образуют большой круг. Читатель будет удивлен, но мы присутствуем при одном из публичных опытов с электричеством, столь модных во второй половине XVIII века.
В середине XVIII века была случайно открыта так называемая « лейденская банка » , вероятно, первый в мире конденсатор, накопитель больших количеств электричества.
Петер Мушенброк, профессор математики из Лейдена, обнаружил, что в стеклянной банке с остатками ртути и вставленным через пробку длинным гвоздем «пойманное» электричество может сохраняться довольно долго. Банку иногда укутывали металлической фольгой - гвоздь и фольга служили обкладками конденсатора, стекло их разделяло и хранило заряды.
Зарядить лейденскую банку электричеством можно было с помощью особой «электрической машины» Герике, представлявшей собой шар из серы, насаженный на железную ось. Шар быстро вращали, прикосновение к нему руки или ременной передачи приводило к возникновению, как мы теперь говорим, электростатических зарядов. Железную ось Герике и гвоздь, воткнутый в лейденскую банку, легко соединить металлическим проводом - и в банке накопится достаточно много электричества, которое можно к тому же носить с собой…
Электрическая цепь из ста восьмидесяти гвардейцев по команде «замыкалась» через лейденскую банку: на одном конце цепи первый гвардеец дотрагивался рукой до металлической фольги, в которую была завернута банка, а на другом конце гвардеец, последний в цепи, прикасался к гвоздю, торчавшему из пробки. Сильный электрический удар мгновенно чувствовали все гвардейцы!
«Было курьезно видеть,- писал очевидец этого опыта,- разнообразие жестов и слышать вскрики, исторгаемые неожиданностью у большей части получающих удар».
Мы не случайно назвали все происходившее «опытом». То был, несомненно, научный опыт, доказавший без ведома и желания участников не только достаточно высокую проводимость человеческого тела по отношению к электрическому току, но и даже один из законов электрических цепей, который будет установлен в лаборатории век спустя - при последовательном соединении большого числа проводников электричества во всей цепи течет одинаковый электрический ток.
Король Франции дважды присутствовал на «электрическом представлении». Маловероятно, что желание второй раз увидеть это зрелище было вызвано научной любознательностью монарха. Скорее, ему хотелось еще раз посмотреть на «разнообразие жестов» и услышать «вскрики»…
Для изготовления лейденских банок могут быть взяты любые стеклянные банки из-под консервированных фруктов, широкогорлые бутылки или просто чайные стаканы. Емкость конденсатора — лейденской банки зависит от ее объема. Поэтому для того, чтобы накопить больше электричества, надо делать больше и лейденскую банку. Самыми подходящими для этого будут стеклянные банки из-под консервов емкостью в 0,5 или 1 литр. Нам нужно взять четыре одинаковых банки.
Все банки на 3/4 их высоты необходимо оклеить станиолем— оловянной фольгой, употребляемой для обертки чая, шоколада и других продуктов. Также оклеиваются банки и изнутри. Необходимо заклеить станиолем с обеих сторон дно банки. При этом надо следить, чтобы на станиоле не получалось складок и разрывов. Если же где-нибудь будут небольшие дырочки, их заклеивают кружочками станиоля. Приклеивать станиоль можно конторским клеем. Можно обойтись и без внутренней обклейки банки, а просто насыпать немного в банку мелко настриженной фольги и спустить в нее приемник из проволоки.
Приемник для лейденской банки можно изготовить различными способами. Приемник — это металлический стержень с шариком или петлей на конце, служащий для соединения внутренней обкладки банки с кондуктором электрической машины. Укрепить его в банке можно путем широкого кольца, сделанного на противоположном конце стержня. Кольцо это должно плотно входить в банку до самого дна. Можно также свить спираль по внутреннему диаметру банки. Если для банки будет использована бутылка с широким горлом, то стержень укрепляется в пробке, которой закрывается бутылка. Стержень должен доходить до дна банки и плотно прижиматься к станиолю. Чтобы не поцарапать и не прорвать внутреннюю обкладку банки, на конце стержня также надо сделать маленькое колечко, могущее пройти через горло бутылки. Если горло бутылки не позволит вам оклеить ее внутренность, то внутреннюю обкладку банки заменит налитая в нее вода с небольшим добавлением соли. Уровень воды должен соответствовать уровню внешней обкладки. Можно в бутылку насыпать дроби до такого же уровня.
Батарея из лейденских банок изготовляется просто. Все приемники банок соединяются между собой голым медным проводом, а банки устанавливаются на доску, оклеенную станиолем. Такая батарея будет накапливать электричества в четыре раза больше, чем одна банка. Изготовление лейденских банок и батареи из них показано на рис. 5 а и б.
Рис. 5. Лейденские банки и их соединение в батареи.
а—лейденские банки, б— батарея из лейденских банок, в—разрядник.
Английский химик, физик и историк науки Джозеф Пристли назвал лейденский опыт самым замечательным открытием в области электричества. Этот опыт, которым увенчалось изобретение первого конденсатора, был научной сенсацией XVIII века: всех восхищала длинная голубоватая искра и изумляло «электрическое потрясение» при разряде лейденской банки через тело экспериментатора; знатоки ценили способность лейденской банки накапливать большой заряд и долго хранить его.
В музее-усадьбе «Архангельское» под Москвой хранится картина художника Шарля-Амедея Ван Лоо «Электрический опыт» (1777 г.). В чем же, собственно, состоит опыт, столь достоверно изображенный художником?
До изобретения «вольтова столба» (1799 г.) лабораторными источниками электричества служили только машины, основанные на электризации трением. Такая машина и изображена на картине — стеклянный шар, который при вращении трется о подушечку и вырабатывает заряд (раньше шар терся просто о руки ассистента). Девушка, изображенная в центре картины, стоит на изолирующей подставке. Стержень, который девушка держит в левой руке, почти касается вращающегося шара. Видны искры между шаром и стержнем. Тело человека — в общем, неплохой проводник, поэтому другой стержень, который девушка держит в правой руке, также оказывается заряженным.
Главный участник опыта — бедняга-негритенок. В правой руке он держит сосуд с водой, куда погружен только что упомянутый стержень. Сосуд — это и есть лейденская банка в ее первоначальном варианте (1745 г.). В лейденской банке, изображенной на картине, диэлектриком служит стекло, внутренним электродом — вода, а внешним — ладонь экспериментатора. На картине изображен момент зарядки конденсатора. Пройдет мгновенье, негритенок приблизит свободную руку к стержню, между стержнем и рукой проскочит искра — и конденсатор разрядится через негритенка, который испытает электрический удар.
Одно из первых исследований лейденской банки провел американский ученый, просветитель и политик Бенджамин Франклин, который установил, в частности, что в лейденской банке одновременно накапливаются заряды, равные по величине и противоположные по знаку.
Франклин задался вопросом, где же, собственно, «сидят» заряды в лейденской банке. Для получения ответа на этот вопрос Франклин проделал такой опыт. Он зарядил лейденскую банку, а затем вынул из нее стержень и вылил «наэлектризованную» воду в другой сосуд. Лейденский опыт с этим сосудом не получился, зато, налив новой воды в первую лейденскую банку, Франклин разрядил ее через свое тело и испытал электрический удар практически такой же силы, как если бы он не выливал «наэлектризованную» воду. Франклин сделал вывод, что заряды «сидят» в стекле, а не в воде, как он сперва предположил.
Этот опыт описывается многими историками науки, которые при этом явно или неявно подтверждают справедливость вывода Франклина. К сожалению, осталось почти незамеченным исследование Адденбрука (1922 г.), в котором показана ошибочность вывода Франклина.
Адденбрук сделал разборный конденсатор , состоящий из трех цилиндров: одного стеклянного и двух металлических, плотно прилегающих к стеклянному изнутри и снаружи соответственно. Исследователь зарядил такой конденсатор, затем аккуратно разобрал его и ввел в соприкосновение друг с другом металлические цилиндры. Если цилиндры были заряжены, то они, естественно, должны были при этом разрядиться. Адденбрук снова собрал конденсатор. Как и в опыте Франклина, конденсатор оказался заряженным практически также, как первоначально. Но Адденбрук не спешил подтвердить вывод Франклина. Он проделал подобный опыт с парафиновым цилиндром вместо стеклянного, и в этом случае получился результат, противоположный франклиновскому: восстановленный конденсатор был незаряженным, а заряды, как оказалось, «сидели» на металлических цилиндрах-обкладках (разумеется, до их соприкосновения).
Адденбрук сделал вывод, что «эффект Франклина» обусловлен водяной пленкой, которой в обычных условиях всегда покрыто стекло. Дело в том, что заряды в состоянии равновесия располагаются на поверхности проводника, роль которой как раз исполняет пленка воды. При удалении проводника (сливании воды, например) почти все заряды проводника остаются на этой пленке. Если тщательно просушить стекло и провести опыт в сухой атмосфере, то «эффект Франклина» не наблюдается.
Конечно, в опыте Франклина всегда имеет место «перетекание» ионов на стекло, но этот эффект незначителен. Несуществен в данном случае и электретный эффект. Следует заметить, что водяная пленка на ободке лейденского сосуда не препятствует его зарядке из-за малой подвижности ионов (разрядка конденсатора по пленке происходит гораздо медленнее, чем его зарядка).
Есть много школьных задач по физике , в которых речь идет о мысленных экспериментах с удалением и заменой диэлектриков конденсатора. При этом молчаливо подразумевается, что «эффект Франклина» отсутствует, т. е. заряжены только обкладки конденсатора. Как видим, в действительности дело обстоит сложнее.
Многие наши современники настолько привыкли к проявлениям окружающей действительности, что в какой-то степени перестали их замечать. Люди живут в ожидании чего-то необъяснимого, хотя самые настоящие чудеса окружают нас повсюду. Что может быть проще, чем щелкнуть клавишей выключателя, чтобы электрическая лампочка разогнала тьму в комнате!? Или подняться на этаж, просто нажав кнопку в лифте. Разве не чудо?
Хотя продолжительность практического использования человечеством электрической энергии насчитывает всего несколько сотен лет, что для истории всего лишь миг, за это время было сделано немало открытий. Некоторые известны и сейчас (чего стоит знаменитый закон Ома!), а о других же вспоминают лишь историки и, изредка, преподаватели в учебных заведениях. К примеру, какие ассоциации возникнут у среднестатистического человека при словах «лейденские банки»? Финансовые учреждения, медицинские приборы, а может «хитрые» емкости для консервации овощей? Впрочем, это вполне закономерно, ведь даже далеко не каждый электромонтер догадается, что лейденская банка - это прообраз современных электрических конденсаторов. Хотя конструкция крайне проста, теоретически, при должной доработке, такие устройства могут вполне успешно работать в составе электрических цепей.
Каждому школьнику известно, что если потереть пластмассовую ручку о волосы, то при ее приближении к другим предметам в воздушном промежутке возникнет искра. Похожий принцип используется в благодаря которой появилась лейденская банка. В 18 веке немец Герике продемонстрировал светскому обществу установку, в основе которой был крупный шар из стекла с вмонтированной осью. Простейшая заставляла его вращаться. Прикоснувшись куском кожи, можно было вызвать появление электрических искр и невидимых В предметах, находящихся в зоне действия линий генерировались и накапливались (конденсировались) токи.
1745 год является той датой, когда была открыта лейденская банка. Физик Мушенбрук из Лейдена догадался налить в банку воды, поместить туда кусок проволоки, аккуратно взять емкость руками и поднести к работающему электрофору. При прикосновении к выступающей части проволоки ученый получил электрическим током. Это теперь понятно, что руки человека и вода в банке послужили тем, что сейчас называют обкладками конденсатора, а стеклянная стенка сосуда - изолирующим слоем. Лейденская банка могла накапливать так много электричества, что его хватало для прохождения по цепи из 700 человек. Было очевидно, что потенциал у этого открытия огромный. Именно в г. Лейден было налажено производство таких «конденсаторов», что и дало название устройству.
Через 2 года с момента открытия в целях эксперимента обернул внешние стенки банки фольгой из олова, тем самым увеличив емкость. Было понятно, что многое еще предстояло открыть. Фактически, это был путь «проб и ошибок», а теоретическое обоснование уже выводилось на основании результатов экспериментов. Впоследствии Франклин заменил банку плоским стеклом с фольгой на противоположных сторонах, получив знакомый всем нам конденсатор.
Лейденская банка своими руками может быть изготовлена очень быстро. Понадобится пластмассовая банка, пластина из жести с припаянным изолированным проводом, уголь активированный, прочная металлическая (или пластиковая с токопроводящей вставкой) крышка с выводом-контактом и соленая вода. Опускаем пластину на дно пластмассовой емкости, свободный конец провода выводим вверх. Сверху закрываем бумагой, насыпаем слой угля, наливаем соленой воды и размещаем крышку с выводом. Получается, что из банки выходят два покрытых изоляцией провода: с нижней и верхней обкладок. Теперь, если к ним подвести внешнее напряжение, то часть его будет конденсироваться. После этого останется лишь подключить нагрузку. При работе с «банкой» нужно соблюдать осторожность.
ЛЕЙДЕНСКАЯ БАНКА , конденсатор цилиндрической формы постоянной емкости; состоит из цилиндрического стеклянного сосуда (банки), внутренняя и наружная поверхности которого покрыты фольгой (обкладки конденсатора), не доходящей до отверстия банки приблизительно на 1/4 высоты (фиг. 1). Металлический стержень, проходящий через горло банки, соприкасается с внутренней обкладкой банки при посредстве гибкой проволоки или цепочки. Шарик, которым заканчивается стержень, является одним из полюсов конденсатора; наружная обкладка - другой его полюс. Емкость лейденской банки может быть приближенно вычислена по общей формуле технических конденсаторов:
где ε - диэлектрическая постоянная стекла, S - средняя величина (в см 2) поверхностей обкладок, d - средняя толщина (в см) стенки, или, лучше, по специальной формуле (для цилиндрических конденсаторов):
где I - длина лейденской банки, а r - внутренний радиус ее; предполагается, что l > r > d. Емкость лейденской банки незначительна - не больше 15000 см. Для получения больших емкостей лейденские банки соединяются в батареи. Лейденской банки в состоянии выдержать значительную разность потенциалов на своих обкладках - порядка нескольких десятков тысяч вольт (V). Недостаток лейденской банки: незначительная емкость, при сравнительно больших размерах занимаемого места, и хрупкость.
Лейденская банка была изобретена в 1745 году в г. Лейдене (отсюда ее название). Долгое время она была очень распространенной формой конденсаторов. В настоящее время на промышленных установках лейденские банки в своем первоначальном виде употребляется сравнительно редко. Промышленной формой лейденских банок являются лейденские банки фирмы Шотт, выработавшей специальное стекло (минос ) с минимальными потерями и конденсатор Мосцицкого (фиг. 2). Последний изготовляется в виде длинных банок небольшого диаметра из специальных сортов стекла с малыми диэлектрическими потерями. Обкладки - серебряные, гальванически покрытые слоем меди для лучшего прилегания обкладок к стеклу. В отверстии банки укреплен фарфоровый изолятор, сквозь который проходит стержень, соприкасающийся с внутренней обкладкой. Конденсатор устанавливается в защитном металлическом сосуде, причем пространство между наружной обкладкой конденсатора, и стенкой защитного сосуда заполняется охлаждающей жидкостью.
