Значить, пробка наелектризувалась, торкаючись люльки , вирішив Грей . Тоді він вставив у пробку паличку з кістяною кулькою на кінці, натер трубку і побачив, що кулька теж стала притягувати пушинки.
Грей подовжував паличку, змінював її матеріал, потім замість палички просмикнув через пробку мотузку, яку спустив з балкона свого будинку, але все залишалося, як і раніше! Кулька, підвішена на кінці мотузки завдовжки більше восьми метрів, притягувала шматочки паперу, коли трубку натирали вовняною ганчіркою. Грей взяв мотузку довше, забрався на другий поверх, потім на дах, далі лізти вже було нікуди, а кулька поводилася як і раніше.
Використовуйте повзунок положення палички, щоб наблизитись до розвантажувальної палички до зарядженої балки Лейдена. Як ви бачите, одна рука палички наближатиметься до негативно зарядженої металевої кулі, інша наближатиметься до позитивно зарядженої підкладки за межами банки. Поміщений цей шлях, ці протилежно заряджені частинки будуть, коли паличка наблизиться досить близько, перестрибнуть через іскровий проміжок з драматичним спалахом і мчать один до одного.
Захоплення та зберігання електроенергії складніше, ніж лову світлячків, але обидва часто включають банки! Перший пристрій, який був винайдений, міг придбати електричний заряді зберігати його доти, доки вчений не захоче використати його для експерименту, або демонстрація була лейденською баночкою. Георгом фон Клейстом у Німеччині та Пітером ван Муссенбруком у Нідерландах. Лейденські банки згодом перетворилися на складніші, ефективніші пристрої, але ранні версії були дуже простими.
Тоді Грей вирішив підвісити мотузку горизонтально. І що ж ? Якщо її підвішували на шовкових шнурках, то кулька притягувала пушинки; якщо ж брали прядив'яний шпагат, то кулька не притягувала нічого. Грей разом зі своїм другом Уілером продовжував досліди, підвішуючи мотузку на шовкових шнурках, і все йшло чудово, поки одного разу шнурок не обірвався і його поспіхом не замінили дротом. Кулька після цього перестав притягувати що-небудь. Друзям стало ясно, що електрика «пішла» по дроту та мотузці; отже, дріт і мотузка проводили електрику, а шовковий шнур не проводив.
Вони складалися зі скляних дзвонів, покритих металевою фольгою на їх внутрішній та зовнішній поверхнях. Банки були заповнені водою та забезпечені пробкою з проводом, що проходить через неї. Вільний кінець дроту дозволив пристрою підключитися до електростатичного генератора, який служив швидким та легким джерелом електрики. Дещо більш просунута модель, показана тут, є зовнішньою металевою сферою, пов'язаною з внутрішньою частиною Лейденської банки, латунним стрижнем, що закінчується ланцюжком, а не простим проводовим проводом.
Грей і Вілер після багатьох дослідів з'ясували, що всі тіла можна поділити на провідники та непровідники. Виявилося, що людське тіло – хороший провідник електрики.
Незабаром після цих дослідів французький фізик Шарль Франсуа дю Фе виявив, що існує електрика «двох пологів»: «скляна», що виходить при натиранні скла або дорогоцінного каміння, і «смоляне», що виникає при натиранні смоли та бурштину.
Спочатку люди думали, що рідина в Лейденській банці зберігає електроенергію, але через експерименти вчені виявили, що вода не потрібна. Пізніші моделі були порожніми, але все ще працювали, тому що основною вимогою для функціонування Лейденської банки є наявність двох провідників, розділених ізолятором. Зазвичай два шари металевої фольги служать як провідники в лейденській банці, а скло - ізолятор, тому води не потрібно. При використанні електростатичним генератором заряд тече з генератора в металеву сферу або інший свинець в лейденську банку і накопичується у внутрішньому шарі провідної фольги, оскільки він блокується від подальшого руху за допомогою ізоляційного скла.
Якщо дві легкі кульки, підвішені на нитках, наелектризувати«скляною» електрикою, то вони будуть відштовхуватися один від одного, а якщо один буде наелектризований «скляною», а інший «смоляною» електрикою, то кульки будуть притягуватися.
Після дослідів Грея і дю Фе стало ясно, що електрика може існувати окремо від наелектризованоготіла та передаватися іншим тілам.
У той же час зовнішній шар фольги створює протилежний заряд від землі, тому що позитивно заряджені частинки притягуються до негативних частинок, що накопичуються всередині банки. До тих пір, поки не буде випущено будь-яким чином, рівні, але протилежні заряди протилежних сторонахлейденські банки залишаються на місці.
Щоб звільнити електрику в лейденській банку, має бути передбачено шлях, яким може переміщатися накопичений заряд. Для цього можна використовувати провід, стрижень чи навіть людську руку. Фактично, одна з улюблених електричних демонстрацій Бенджаміна Франкліна включала багатьох людей, які стоять у колі, що тримаються за руки. Можна було б попросити торкнутися верхньої частини зарядженої банки Лейдена, тоді як людині в кінці ланцюга було запропоновано торкнутися нижньої частини тієї ж банки вільною рукою.
У 1746 році професор математики та філософії в місті Лейдені Мушенбрек написав французькому фізику Реомюру (на ім'я якого названо шкалу температури) про свій «лейденський досвід». Мушенбрек хотів наелектризуватиствол рушниці, до одного кінця якого був прив'язаний дріт, опущений у банку з водою. А банку Мушенбрек тримав у руці. Як тільки він підніс іншу руку до банку, то відчув, що все тіло здригнулося, як від удару блискавки. одним словом, я думав, — писав він, — що настав кінець».
Електрика протікала через кожного члена групи, кожен із яких відчував супутній шок. Такі демонстрації були досить небезпечні, але були популярні. Як перші конденсатори банки Лейден могли також використовуватися для більш практичних зусиль. Знання фляг швидко поширилося на лабораторії по всьому світу, що полегшило проведення досліджень у галузі електротехніки, ніж це було можливо. Це дослідження також стало мобільним: завдяки «електриці у пляшці» вчені могли проводити свої електричні експерименти зовні та в дорозі.
Звістка про цей досвід схвилювала весь вчений світ. Кілька місяців усі фізики, що займаються електрикою, заряджали та розряджали лейденські банки.
Абат Нолле на очах у короля і придворних у Версалі розрядив лейденську банку через ланцюг, який склали 180 гвардійців, що трималися за руки. Незважаючи на залізну дисципліну, браві мушкетери похитнулися, як олов'яні солдатики, і скрикнули.
Пізніше конденсатори служили важливими компонентами в електроніці, такими як освітлення та радіо. Звичайно, тут є якась дивовижна фізика, тож я, вочевидь, піду з цього приводу. Давним-давно люди тільки почали з'ясовувати всю цю електричну річ, зокрема дослідження електростатики. Спочатку батарея Лейдена використовувалася для зберігання електричного заряду після того, як заряджений предмет був заряджений. Були два спільні варіанти Лейденської банку, дозвольте мені проілюструвати їх.
Для версії 1 навколо скляної чашки є два шматки металу. Один шматок металу знаходиться усередині чашки, а інший – зовні. Однак для версії 2 внутрішній метал замінюється водою. Так, ви можете замінити метал водою до тих пір, поки вода буде електричним провідником. Більшість води проводить електрику, але ви можете додати трохи солі, щоб переконатися.
Невдовзі з'ясували, що можна і не наливати воду в банку, а натомість насипати туди дріб або покрити її внутрішню поверхню листовим оловом. Зовні банку теж стали обгортати фольгою. Так роблять і зараз. «Лейденська банка», названа так на честь міста, де було зроблено досвід, якимось способом накопичувала електрику. Але як ?
Справді, балка Лейдена - це лише конденсатор - от і все. Найпростіший конденсатор містить дві паралельні металеві пластини, між якими нічого немає. Якщо ви додасте заряд на один бік пластин, це потягне протилежний заряд на іншу пластину. Це буде виглядати так.
Ставлення заряду до різниці потенціалів визначається як ємність така, що. Одиниці для ємності – це Фарад. Однак виявляється, що значення ємності залежить лише від фізичної конфігурації пристрою. У цьому випадку це розмір пластин, відстань їх поділу і матеріал, що знаходиться між ними. Для паралельного пластинчастого конденсатора ємність може бути розрахована як.
В ті роки в американському місті Філадельфії жив Бенджамін Франклін. Цей геніальний самоучок, Франклін все життя займався наукою як аматор, тому що основний час його поглинала громадська діяльність. Якось Франклін побачив досліди з електрикою, які показував приїжджий учений, і сам зацікавивсязагадковим, явищем. Разом зі своїми друзями, теж ентузіастами науки, він почав ставити досліди і незабаром відкрив, що гострі предмети можуть «випускати та поглинати електрику». Заряджена металева куля, покладена на шийку пляшки, розряджалася, якщо до неї підносили кинджал на відстань 15—20 сантиметрів. У темряві вістря кинджала світилося. Якщо ж на цю кулю покласти голку, то вона теж світилася, і, піднісши до голки іншу кулю, покладену на шийку пляшки, можна було цю кулю зарядити.
Змінна ε називається діелектричною проникністю і залежить від типу матеріалу між пластинами. Незважаючи на те, що банкомат Лейдена має іншу конфігурацію, він переважно працює однаково. Зовнішній метал можна заземлити, просто утримуючи його рукою або проводячи дріт до металевої труби. Коли ви приносите заряджений об'єкт поруч із металом посередині, це додасть заряду до води і намалює протилежний заряд зовнішньому металу. Це можна довести до досить високої напруги, оскільки скло між водою та металом діє як ізолятор.
Франклін вирішив, що у всіх тілах міститься порівну загадкової речовини «електрики», але деякі тіла можуть його утримувати, наприклад скло, а деякі не можуть. Натираючи скляну трубку вовняною ганчіркою, ми відбираємо у себе електрику і передаємо її трубці, а торкаючись до натертої трубки, отримуємо від неї надлишок електрики.
Інші хакі можуть мати домашню версію – це те, що ви отримуєте тут. Якоїсь миті всі повинні грати з речами. Що ви можете зробити з цією майкою Лейден? Спочатку намотайте його, а потім протріть щось, щоб отримати заряд. Торкніться цього пластику до металу посередині і повторіть це, поки не втомитеся. Тепер принесіть провід із зовнішньої фольги до металевого цвяха посередині, і ви повинні отримати гарну іскру. Ось невелика іскра у сирий день.
Яка ємність Лейденської банки?
Якщо ви волієте когось шокувати, добре, але це болить. Здавалося б, ви могли б просто виміряти значення конденсатора так легко, як ви могли б знайти опір резистора. Це не так просто. Більшість мультиметрів, які ви побачите, безпосередньо не вимірюють ємність, але є деякі з них.
У лейденській банку міститься запас електрики, і «сидить» воно у склі, оскільки скло здатне утримувати електрику. Франклін зробив банку з розбірними обкладками, зарядив її, зняв обкладки та розрядив їх, а потім знову зібрав банку. І що ж ? Вона знову виявилася зарядженою. Багато цікавих дослідів зробив Франклін, ці досліди були першим практичним застосуванням його відкриттів, першою перемогою людини над однією з наймогутніших сил природи.
Скільки енергії зберігається у Лейденському банку?
Внутрішня вода у пляшці має приблизно ту саму площу. Тепер, як щодо поділу пластин? Отже, або моя товщина пляшки відходить, або цей метр не дає дуже точної величини. Я маю значення ємності. Це значення електричного поляу повітрі, на якому він перемикається з ізолятора на провідник. Це не так багато, але це щось. Занадто багато запитань залишилося без відповіді. Ось перелік питань для вас.
Тепер виміряйте її і подивіться, що станеться. Виконайте дві банки Лейдена. Поєднайте їх послідовно, очікуване значення конденсатора наблизиться до виміряного значення? Як щодо двох паралельних судин? Чи можна використовувати один балон Лейдена для заряджання іншого? Використовуйте весняну шкалу або датчик сили, щоб оцінити силу пластмасовий стрижень з вовною. Тепер оцініть енергію, яку людина вкладає у зарядку цього стрижня. Як людська енергія порівнюється з енергією, що зберігається у лейденській баночці? Виведіть вираз для енергії, що зберігається у конденсаторі. Обчисліть ємність циліндричного конденсатора.
- Побудуйте банку Лейдена та виміряйте ємність.
- Не використовуйте мультиметр.
- Що, якщо ви візьмете балку Лейдена та виміряйте ємність.
- Тепер видаліть половину алюмінієвої фольги.
- Що має статися із величиною ємності?
учень 10 класу МБОУ ЗОШ №18 Кандрін Олексій
дослідницький проект « Лейденська банка» повинен знайти , вивчити та показати види конденсаторів, виявивши найбільш актуальний для майбутнього. Модель найпростішого конденсатора – лейденської банки – виготовити та показати її для наочного прикладу дев'ятикласникам. У сучасному світізавдяки гігантським зусиллям багатьох тисяч видатних діячівнауки та техніки різних країн, досягнуто небачених успіхів у відкритті та вивченні законів природи та їх використання на благо людства.
Процес заряджання є точною аналогією. В якості альтернативи один заряджається електромагнітом усередині та зовні. Більш складний пошук буде зроблено щодо магнетрону в мікрохвильовій порожнині, що заряджає порожнину або лейденську банку усередині неї. Тепер це дуже небезпечно, тому що всі мікрохвилі забороняють металеві каструлі у порожнині.
Хтось зробив цей експеримент із лейденською баночкою? Ця серія демонстрацій є особливою, якщо для відображення магнітної плазми Ед в дії. Як ви знаєте, концепція монополя не стартер, тому що вона має погану репутацію, але лінгвістично це абсурд. Це велика частина його теорії, яку потрібно заповнити. Ед переорієнтує відкриту не відволікайтеся від задушливої відповідності, але він не пропонує містичного пояснення. Жоден природний філософ чи емпіричний спостерігач, незалежно від своїх містичних переконань, неспроможна запропонувати містичну демонстрацію. Демонстрації на силу мають бути прагматичними. перш ніж він зміг перейти до електростатики. З магнітного погляду це найскладніше питання. Прямо від Гілберта до Ньютона його поховали як окультний! Бойл експериментував з цим, але мав зробити це ще таємніше, ніж алхіміки! Він, звичайно, мав інтуїтивно ставитись до своїх висновків у неясних закликах та засланнях. Бойл виступав за відміну законів «анти алхімії» в британській сфері впливу і залишив кілька важливих дослідницьких документів щодо рідин, які пізніше стали називатися електростатичними. Неаст Ед дістається Статики, кажучи, що пластикові речовини діють тільки один проти одного; і припустити, що ці дві речовини можуть порівнюватися з електроном та протоном, хоча він і принизив електронну модель. Електронна модель є помилковою, особливо тепер вона модифікована, щоб мати магнітний момент! Коротше кажучи, електрон є диплолярним магнітом, так звані частки. Однак Томпсон винайшов однополярний, монополярний індивід, називаючи його тим, що вам потрібно, він винайшов звинувачення, яке кидає виклик прагматиці, але ніхто не знав іншого! Так само як немає ніяких магнітних речовин, які не є диполями, немає жодних електричних речовин, які не є диполями. Тому якщо ми припустимо, що електричний заряд має індивідуальну форму, правильніше стверджувати, що магнітні речовини мають однакове право. Але це справжнє питання. Питання в тому, що електростатика пішла не так, наполягаючи на розподілі диполя на ці індивідуальні заряди. 2 флюїдна теорія була відкинута Бенджаміном Франкліном та іншими з логічних міркувань, які насправді не є стійкими. Ми не знаходимо питання, до якого додається плата. Те, що ми знаходимо, - це 2 заряди, які перебувають у дипольному співвідношенні, і ми називаємо цю структуру матерією. Коли Томпсон винайшов електрон, він спостерігав промінь у виснаженій атмосфері. Він вирішив назвати це одним електронним променем. Коли Резерфорд винайшов свій альфа-промінь, він подумав, що то пучок частинок. Виявилося, що складався з 2 частинок, тобто. якщо бета-промінь був складений із однієї частки. Саме ці фундаментальні припущення є помилковими, і Ед почав розуміти. Але він спустився з кореня індивідуальної «частинки» речовини для кожної речовини у постійному магніті. Але тоді він наполіг, щоб вони завжди діяли разом! За логікою його – диплолярна структура. Припускаючи, що частинки жорсткі створюють механічні проблеми, але припускаючи, що вони будуть плинними, вирішує ці проблеми, але створює математичні! Тому електростатика – це гарний напрямокдля ухвалення ідей Ед, але спочатку потрібно зрозуміти, де Ед отримав термінологію не зовсім правильно. Це не ідеально, але диплолярна плазмова рідина – це матеріал, який описується як північні індивідуальні та південні окремі магніти. Окремі магніти, одиночні магніти, дисоційовані магніти краще не описуються як полюси! Ед стверджує, що вони є речовинами, речовинами у вигляді частинок, що походять від полюса постійного магнітуі поринають у протилежний полюс постійного магніту. Але ж вони повільно просуваються до джерела! Вони не знищують і не зникають один з одним. Те, що він не отримує, це електричні диполі та діелектричні речовини. Мені подобаються ці мідні труби та магнітні ефекти, і в цьому відео вони настільки сильні. Невже це насправді називається законом Ленца чи вихровими течіями? Ед сказав би, що це пов'язано з магнітними струмамиу мідній трубі. Поняття електрона, не говорячи вже про електричний струм, сьогодні кидає виклик експертні інженери, і це було протягом десятиліть. Логічні схеми практично викликають фундаментальні переоцінки традиційних пояснень. Коли ви очищаєте міфології і читаєте його чарівні слова, ви розумієте, що він говорить про час, коли все просте і просте, спостережуване та чудове було огорнуте військовою таємницею. Найпоширеніша хибна пропаганда була поширена. Сьогодні ці брехні та помилкові ідеї щойно проникають, і це через Інтернет. Ед повертає мене до фундаментальних спостережуваних. Магнітна кінетика та електростатична кінетика. Колись мене вчили відповідати умовно. Насправді ми ніколи не повинні були. Під час війни його легко можна було звинуватити у шпигунстві чи ворожому співробітнику, тому він наважувався публікувати. Але в Америці була і є традиція поштового відправлення, яка дозволила фантастичному прослизнути, поки що ще одна афера, що відбувається на довірливій публіці. Робота Ед та його теорія заінтригували, тому що він заінтригував їх. Він вивчав методи продажу поштових замовлень, які працювали, і продовжують працювати досі. Ед показує, що таємниці електрики явно мають ґрунтуватися на таємницях магнетизму. Якщо ви це зробите, ви отримаєте послідовну теорію електричного струму , розуміючи фундаментальний набір явищ, гідних благоговіння та дослідження та природного філософствування! Щоб бути по-справжньому освіченим, вам потрібно було мати філософію у таких питаннях, подумав Ед. За долар він міг показати вам, як стати освіченим! долар! Мета Едса полягала у тому, щоб допомогти іншим сформувати власну думку. Тобі не обов'язково приймати конвенцію. Елегантні пояснення Еда явно фрактально важливі. Проблема в тому, що монадична парадигма шукає одне абсолютне джерело, тоді як дуалістичні парадигми шукають 2 або двоїстість як джерело. Якщо слідувати Ньютону, ми повинні знайти подвійність. Він не зробив так, як ми робимо зараз, коли так звана електронна частка обертається, і тому поточний електромагнетизм повинен мати пов'язаний магнітний «заряд» або момент. Цей опис вимушений мантрою, електричний заряд є джерелом магнетизму. Однак дуалістичний підхід дозволяє магнетизму бути фундаментальною частиною будь-якої просторової області з електричним, що описує ортогональний рух до супутнього магнітного руху. Цей рух поєднується як вихровий рух. Тому магнітні та електричні є поведінковими описами ефектів руху на тілах у динамічній рівновазі. У термінах ліній кожна сила є еквіпотенціалом іншого. Таким чином, у подвійній моделі існують диполи, а простір є сітчастою роботою еквіпотенційних «координатних» кадрів, які підтримують фрактальні трехоїдальні рухи. Гравітація має бути викликана матерією в середині землі і більш сконцентрована, ніж уран. Коли атоми урану луснуть, вони випускають окремі магніти Північного і Південного полюсів, які утримують атом разом, тоді магніти розсіюються навколо, але коли атоми луснули серед землі, і багато хто лопнув одночасно, вони можуть бігати лише від середини до зовнішньої. Коли магніти Північного і Південного полюсів рухаються поруч один з одним і в тому ж напрямку, вони не мають привабливості для інших видів, вони приваблюють тільки тих, хто використовує один вид проти іншого. Його можна побачити, протираючи тверду гуму або склянку, поки вони не стануть гарячими, тоді вони будуть залучати пісок, тирсу, сіль та інші речі. подивіться, як він функціонує, трохи посуньте кристал солі, якщо він потрапить на інший полюс магніту, тоді він відскочить. Інший спосіб - натирати тверду гуму доти, доки вона не стане гарячою, тоді це буде тимчасовий магніт. різниця між гумовим магнітом і сталевий магніт полягає в тому, що магніт в каучуку походить від магнітів, які утримують гуму, а північний і південний полюси знаходяться на одному боці гуми, а магнітні полюси малі, а багато з них близькі один до одного, але в сталевому стрижні притягує магніт не є магнітом, який утримує разом сталь, але надлишкові магніти включають циркулюючий магніт. Притягніть залізну тирсу гумовим магнітом, потім підходьте до сталевого магніту. Змініть полюси, після чого ви побачите, як деякі з них відскакують. Це означає, що сталевий магніт змінив магнітні полюси у залізних записах, і тому вони відскочили. Відмова від відповідальності та обмеження відповідальності. Демонстрації та процедури, описані на цьому веб-сайті, взяті з дослідження та особистого досвідуавтора. Автор не несе відповідальності за будь-які негативні чи несприятливі наслідки чи наслідки від використання чогось, запропонованого, продемонстрованого чи обговорюваного на цьому сайті. Ця цитата показує діапазон теорії Ед. Спостерігаються певні електростатичні явища, пов'язані з областями заліза, і магнітні явища, що спостерігаються з кристалами солі. Ед вказує тут, що різницю між електричним і магнітним, зазвичай мовчазно прийнятим і примусовим, феноменологічно немає. Масштаб, матеріальний склад та структурне розташування всі спостерігаються у явищах. Чому ми вважаємо, що вони різні? Бо нам сказали неправильно? Електричні та магнітні чітко пов'язані безпосередньо. Ед використовує «атомну» або кінцеву модель поділу, але він заявляє: ви повинні почати з чогось, і там, де він починається, це правила взаємного тяжіння та відштовхування між цими формами остаточного поділу. Це він визначає як «магнітний», тобто виявляє магнітну силу тяжіння та відштовхування. При цьому він піднімає кеглі конвенції, яка принципово робить ці ж правила, таке саме правило.
- Це відео – їжа для роздумів.
- Полюс вибирається як дескриптивну форму саме тому, що вона має 2 кінці!
Як відомо, одним із магістральних напрямів науково - Технічним прогресом є електротехніка. Винахід конденсатора та створення першого електрохімічного джерела струму – найважливіші сторінки в літописі електрики
Завантажити:
Попередній перегляд:
Муніципальне бюджетне загальноосвітнє
установа школа №18
Виконав роботу:
учень 10 класу
МБОУ ЗОШ №18
Кандрін Олексій
Керівник:
вчитель фізики
Брикіна Марина Юріївна
м. Дзержинськ
2016
Що таке конденсатор
Застосування конденсаторів в електротехніці
Історія створення Лейденської банки
Вступ
Конденсатор - це елемент електричного ланцюга, Що складається з двох провідних обкладок, кожна з яких містить протилежний за знаком електричний заряд. Обкладки розділені діелектриком, який допомагає зберігати цей заряд.
Існує кілька типів ізоляційних матеріалів, що використовуються в конденсаторах, у тому числі кераміка, слюда, тантал та полістирол. Широко використовуються у виробництві конденсаторів також такі ізолятори, як повітря, папір та пластик. Кожен із цих матеріалів ефективно запобігає обкладанню конденсатора від зіткнення один з одним.
Мета: знайти , вивчити та показати види конденсаторів, виявивши найбільш актуальний для майбутнього. Модель найпростішого конденсатора – лейденської банки – виготовити та показати її для наочного прикладу дев'ятикласникам.
Актуальність ь: У сучасному світі, завдяки гігантським зусиллям багатьох тисяч видатних діячів науки і техніки різних країн, досягнуто небачених успіхів у відкритті та вивченні законів природи та їх використання на благо людства.
Як відомо, одним із магістральних напрямів науково - Технічним прогресом є електротехніка.
Винахід конденсатора та створення першого електрохімічного джерела струму – найважливіші сторінки в літописі електрики
Проблема: на конкретні прикладинайбільш видатних відкриттів та винаходів у галузі електротехніки та радіоелектроніки я постараюся показати не тільки роль знання в історії створення того чи іншого технічного пристрою, а й вступивши на шлях технічної творчості, можливо зможу в майбутньому зробити свій внесок у розвиток науки та техніки.
План досягнення мети:
Знайти та проаналізувати інформацію про різні види конденсаторів, нові розробки.
Створити модель найпростішого конденсатора – лейденську банку.
Донести отриману інформацію до дев'ятикласників щодо цієї теми підвищення їх інтересу до вивчення предмета.
Лейденська банка – першийелектричний конденсатор, винайдений голландськими вченими Мушенбруком та його учнем Кюнеусом у 1745 у Лейдені. Діелектриком у цьому конденсаторі служило скло судини, а обкладками – вода у посудині та долоня експериментатора, яка тримала посудину. Виведенням внутрішньої обкладки служив металевий провідник, пропущений у посудину та занурений у воду.
Що таке ємність конденсатора? Поняття "ємність конденсатора" характеризує його здатність накопичувати електричний заряд. Одиницею виміру ємності є Фарада.
Якщо конденсатор зберігає 1 заряд кулон при різниці потенціалів між його обкладками 1 Вольт, то він має ємність величиною в одну Фараду. Насправді, ця одиниця занадто велика більшість практичних застосувань.
Типові величини ємностей при використанні конденсаторів потрапляють у діапазони міліфарад (10-3 Ф), мікрофарад (10-6 Ф) та пікофарад (10-12 Ф).
Які бувають конденсатори? Щоб зрозуміти, що таке конденсатор, необхідно розглянути основні типи цього компонента в залежності від призначення, умов застосування та виду діелектрика.
Електролітичні конденсаторивикористовуються у ланцюгах, де потрібна велика ємність. Більшість таких елементів є полярними. Звичайні матеріали для них – тантал або алюміній.
Алюмінієві електролітичні конденсаторизначно дешевше та мають більше широке застосування. Тим не менш, танталові мають значно більшу об'ємну ефективність і мають чудові електричні характеристики.
Танталові конденсатори мають як діелектрик оксид танталу. Вирізняються високою надійністю, хорошими частотними характеристиками, широким діапазоном робочих температур.
Вони широко використовуються в електронній апаратурі, де необхідний високий рівеньємності за невеликих габаритів. У силу своїх переваг виробляються у великих обсягах потреб електронної промисловості.
До недоліків танталових конденсаторів можна віднести чутливість до пульсацій струму та перенапруг, а також відносну дорожнечу цих виробів.
Силові конденсаторизазвичай використовуються в системах високої напруги. Вони широко застосовуються для компенсації втрат у лініях електропередач, а також для покращення коефіцієнта потужності у промислових електроустановках. Виготовляються з високоякісної металізованої пропіленової плівки із застосуванням спеціального просочення нетоксичною ізоляційною олією. Можуть мати функцію самоліквідації внутрішніх пошкоджень, що надає їм додаткової надійності та збільшує термін служби.
Керамічні конденсаторимають як матеріал діелектрика кераміку. Відрізняються високою функціональністю за робочою напругою, надійністю, низькими втратами та дешевизною. Діапазон ємностей їх варіюється від кількох пикофарад до приблизно 0,1 мкф.
В даний час є одним із найбільш широко використовуваних типів конденсаторів, які використовуються в електронному обладнанні.
Срібні слюдяні конденсаториприйшли на зміну поширеним раніше слюдяним елементам. Мають високу стабільність, герметичний корпус і велику ємність на одиницю об'єму.
Широкому застосуванню срібно-слюдяних конденсаторів заважає їх відносна дорожнеча.
У паперових та металообпалювальних конденсаторівобкладки виготовляються з тонкої алюмінієвої фольги, а як діелектрик використовується спеціальний папір, просочений твердим (розплавленим) або рідким діелектриком.
Застосовуються в низькочастотних ланцюгах радіопристроїв при великих струмах. Відрізняються відносною дешевизною.
Для чого потрібний конденсатор
Є цілий ряд прикладів використання конденсаторів у найрізноманітніших цілях.
Зокрема, їх широко застосовують для зберігання аналогових сигналів та їх цифрових даних.
Конденсатори змінної ємностівикористовуються в телекомунікаційному зв'язку для регулювання частоти та налаштування телекомунікаційного обладнання. Типовим прикладом їх застосування є використання у джерелах живлення. Там ці елементи виконують функцію згладжування (фільтрації) випрямленої напруги на виході цих пристроїв.
Вони також можуть бути використані в помножувачах напруги для генерації високої напруги, що багаторазово перевищує вхідну напругу.
Конденсатори широко застосовуються в різноманітних перетворювачах напруги, пристроях безперебійного живленнядля комп'ютерної техніки та ін.
Створення лейденської банки
Цей зимовий день 1745 р. запам'ятався голландському професору з Лейдена Пітеру Мушенбруку (1692-1761) на все життя. Він опинився серед багатьох фізиків, які займалися дослідами з електростатичною машиною. Важливо було «накопичити» одержувані від неї заряди. Знаючи, що скло не проводить електрику, Мушенбрук наповнив скляну банку водою і опустив у неї кінець мідного дроту, з'єднаного з кондуктором машини. Він правильно припустив, що заряди почнуть накопичуватись у банку.
Взявши скляну банку праву руку, він попросив свого помічника обертати кулю машини, і коли, на його думку, у банку накопичилася достатня кількість зарядів, Мушенбрук вирішив лівою рукою від'єднати дріт від кондуктора (рис.1).
Сам того не підозрюючи, він "пропустив" через себе накопичені заряди - адже його руки стали внутрішньою та зовнішньою обкладками банки. Звичайно, професор отримав сильний удар, і йому здалося, що «настав кінець».
Про свої відчуття вчений писав: « Мідний дріт, кінець якого був занурений у круглу скляну посудину, частково наповнену водою, яку я тримав у правій руці, іншою рукою я намагався витягти іскри з наелектризованого стовбура. Раптом моя права рукабула вражена такою силою, що все тіло здригнулося, як від удару блискавки. Посудина, хоч і з тонкого скла, звичайно струсом цим не розбивається, але рука і все тіло вражаються таким страшним чином, що й сказати не можу, одним словом, я думав, що настав кінець...»
У листі до свого колеги Реомюра до Парижа в січні 1746 р. він написав, що цей «… новий і страшний досвід раджу самим ніяк не повторювати» і що він навіть «заради Корони Франції» не погодиться на «жахливий струс». Ефект електричного розряду посилився ще й несподіванкою, з якою стався.
Рис.1. Досвід Мушенбрука (зі старовинної гравюри)
З'ясувалося, що в судинах того типу, про який пише Мушенбрук, електрика може накопичуватися у значних кількостях. Так було відкрито прославлену згодом «лейденську банку» – найпростіший конденсатор.
Рис.2. Досвід Мушенбрука (зі старовинної гравюри)
Лист Мушенбрука справив справжню сенсацію, його досвід стали повторювати як фізики, а й багато любителів, цікавляться новими відкриттями.
Як це часто буває, в тому ж 1745 незалежно від Мушенбрука подібна банка була створена німецьким фізиком Е. Клейст. Клейст, не знаючи про лейденські досліди, влаштував подібний прилад, тому Лейденська банка називається іноді банкою Клейста.
У пресі винахід «банки» «вітався як велике відкриття».
Новина про лейденську банку з великою швидкістю поширилася Європою і не дуже освіченою тоді Америці. Мушенбрук, і раніше відомий, став лейденською пам'яткою. З ним, зокрема, познайомився Петро Великий, колипрацював на верфях у Голландії. Пізніше Петро замовив для нової Академіїнаук різні прилади саме Мушенбрук «зробити наказати».
У лабораторіях, аристократичних салонах, на ярмарках ставилися дивовижніші досліди, неприємні, кумедні та хвилюючі одночасно.
Французька столиця, зрозуміло, не могла залишитися осторонь «лейденської пошесті». Особливої популярності набув досвіду з лейденською банкою, здійснений «майстром експериментів» французьким фізиком абатом Ж. Нолле у Версалі в присутності короля.
Королівські мушкетери також провели перед королем подібний досвід у Версалі. Навіть гвардійська дисципліна виявилася безсилою перед ударом лейденської банки:
Нолле побудував ланцюг зі 180 гвардійців, які взялися за руки, причому «перший тримав у вільній руці лейденську банку, а останній, доторкнувся до дроту, витягаючи іскру… Удар відчувся всіма в один момент, було курйозно бачити різноманітність жестів і чути миттєвий скрик. у більшості відчули удар».
Не всім відомо, що з цього ланцюга солдатів стався термін"електричний ланцюг".
Далі і 700 паризьких ченців, взявшись за руки, провели лейденський експеримент, під керівництвом вченого придворного.електрик а» короля, спеціально відав різними електричними розвагами, абата Нолле.
У той момент, коли перший ченець торкнувся головки банки, всі 700 ченців, зведені однією судомою, скрикнули з жахом.
«Перший тримав у вільній руці банку, а останній витягував іскру; удар відчувся всіма раптово. Було дуже курйозно бачити різноманітність жестів і чути миттєвий зойк,виривається несподіванкою у більшості одержують удар».
Незважаючи на неприємне відчуття, тисячі і тисячі людей хотіли експериментувати.
Виготовлялися нові банки, дедалі потужніші.
Лейденська банка стала неодмінним атрибутом електричних досліджень. З її допомогою отримували великі електричні іскри - іноді до кількох сантиметрів.
Електричні досліди набули надзвичайної популярності. Вони стали однією з найвишуканіших розваг.
Цілі вистави, цікаві, мало не театральні видовища розігрувалися перед захопленими глядачами.
Поступово конструкція лейденської банки вдосконалювалася: воду замінили дробом, а потім зовнішня поверхня покривалася тонкими пластинами свинцями; Пізніше внутрішню та зовнішню поверхні стали покривати олов'яною фольгою, і банка набула сучасного вигляду.
При проведенні досліджень з банкою було встановлено (1746 р. англійцем Б. Вільсоном), що кількість електрики, що збирається в банку, пропорційно розміру обкладок і обернено пропорційно товщині ізоляційного стоячи. У 70-х роках. XVIII ст. металеві пластини стали розділяти не склом, а повітряним проміжком – так, з'явився найпростіший конденсатор.
У 1746 р. з'явилися різні модифікації лейденської банки з фольговими обкладками, з внутрішньою обкладкою з металевої тирси або дробу і т. д. Лейденська банка дозволяла накопичувати і зберігати порівняно великі заряди, порядку мікрокулону і після ряду удосконалень стала одним з найважливіших електротехнічних.
Досвіди з лейденською банкою стали виробляти фізики різних країн, а 1746-1747 гг. Перші теорії лейденської банки розробили знаменитий американський вчений Б. Франклін та зберігач фізичного кабінету англієць В. Уатсон.У своєму листі до хранителя Фізичного кабінету в Royal Society В. Уатсона Мушенбрук писав: «Своїми чудовими дослідами ти вразив усіх!»Цікаво відзначити, що Уатсон прагнув визначити швидкість поширення електрики, «змусивши» його «пробігти» 12 000 футів.
Мушенбрук для уникненняболючих Дослідів розряду банки через людське тіло придумав вживання металевого розрядника, а для отримання посиленої дії від банок влаштував першу батарею з 3 банок. Гралат, Ватсон, Бевіс та ін. поступово покращили влаштування Лейденських банок і батарей.
Теорія дії Лейденської банки та ж, що й взагалі електричного конденсатора, перевага її перед пластинчастим конденсатором полягає у більшій поверхні та замкнутості за інших однакових умов.
Джерелом зарядів для Лейденської банки може бути електрична батарея,генератор і т. д. Так само проста ебонітова паличка, потерта об шерсть або хутро. Якщо такою паличкою, що несе у собі вільні електрони, торкнутися металевого стрижня в шийці судини, електрони перетічуть з палички на внутрішній електрод. Таким чином, негативний заряд буде перенесений на внутрішній електрод. Оскільки здатність накопичувати заряди у судини обмежена їх взаємним відштовхуванням, їхній перехід на електрод не може бути нескінченним. Здатність накопичувати чи утримувати заряди називається ємністю.
У лейденській банці ємність збільшується завдяки наявності другого електрода на зовнішній стінці судини. Якщо цей електрод заземлити, то заряд, накопичений на внутрішньому електроді, буде притягувати із землі такий самий за величиною заряд протилежного знака. Накопичений на зовнішньому електроді позитивний заряд притягує негативно заряджені електрони, що знаходяться на внутрішньому електроді, частково нейтралізуючи сили відштовхування, що стримують накопичення електронів. Завдяки цьому ємність судини збільшується. Проте зростати нескінченно вона може.
Є два шляхи збільшення ємності лейденської банки. Один із них полягає у збільшенні площі електродів, щоб дати можливість зарядам розосередитись у більшому просторі і тим самим зменшити силу взаємного відштовхування електронів. Інший шлях - зменшити товщину скляної стінки судини, що розділяє заряди, що накопичуються на внутрішньому та зовнішньому електродах. Не треба забувати при цьому, що якщо скло буде надто тонким, електрони зможуть пройти крізь нього, створюючи іскровий розряд, що призведе до розсіювання заряду.
Обидва шляхи в лейденській банку важко реалізувати, але вони входять до трьох класичних способів, до яких вдаються сучасні вчені та інженери при розробці нових конструкцій конденсаторів. Третій напрямок збільшення ємності – облік особливостей поведінки електронів у ізоляторах. Хоча електрони в ізоляційному матеріалі нерухомі, вони все ж таки можуть злегка зміщуватися під впливом сил тяжіння або відштовхування, що діють з боку електродів. З одного боку поділяючого електроди діелектрика електрони хіба що " спучуються " під його поверхнею, створюючи негативний заряд, з іншого боку вони " потопають " в товщу діелектрика, збільшуючи у підповерхневій зоні значення позитивного заряду. Таким чином, створені діелектриці заряди сприяють нейтралізації зарядів на обкладках.
Одним з найважливіших наслідків винаходу лейденської банки стало встановлення впливу електричних розрядів на організм людини, що призвело до зародження електромедицини. Це було перше порівняно широке практичне застосування електрики, що зіграло велику роль у поглибленні вивченні електричних явищ.
Рис. 3. Лейденська банка
Протягом наступних десятиліть конструкція лейденської банки удосконалилася: спочатку воду замінили дробом, а зовнішня поверхня обкладалася тонкими свинцевими пластинами, потім внутрішню та зовнішню поверхні стали покривати листами (олов'яною фольгою), і банка набула сучасного вигляду.
Дослідження фізиків привели до висновку про те, що кількість електрики, що накопичується в банку, пропорційно розміру обкладок і обернено пропорційно товщині ізоляційного шару.
У 1782 р. французький ботанік Адансон, відвідавши Сенегал, уперше порівняв удар електричного вугра з ударом лейденської банки.
Петербурзький академік Ф.У. Т. Епінус (1724-1802) вперше відкинув твердження відомого американського фізика Б. Франкліна про особливу роль скла в лейденській банці і вперше створив найпростіший «повітряний» конденсатор, що складався з двох металевих пластин, розділених повітряним прошарком.
Лейденська банка, підключена до обкладок до електричній машині, могла накопичувати та довго зберігати значну кількість електрики.
У 70-х роках. 18 століття металеві пластини стали розділяти не склом, а повітряним проміжком – так з'явивсянайпростіший електричний конденсатор(слово конденсатор означає згущувач), а не смужки фольги, що з'єднуються між собою, називаються обкладками конденсатора.
Рис. 4 Лейденська банка з Королівського шотландського музею в Единбурзі
Рис. 5 Лейденська банка - основа сучасної електрофорної машини, що служить для проведення дослідів з електростатикишколі
Важко собі уявити яку б там не булоелектронну схему, у якій використовуються конденсатори. За два з половиною століття свого існування вони дуже змінили свій вигляд і сьогодні відповідають усім вимогам передової технології.
Деякі конденсатори коштують не більше карбованця, але їх виробництво у світовому масштабі обчислюється мільярдами доларів.
..
Практична частина
Виготовлення лейденської банки – першого в історії найпростішого конденсатора.
Для виготовлення потрібно будь-який скляний посуд з кришкою. Наприклад, банку з-під кави. Місткість конденсатора багато в чому залежить від її обсягу, але для демонстрації простих електричних дослідів можна спорудити невеликий.
Приготуємо скляну ємність із пластмасовою кришкою, алюмінієву фольгу та два невеликі відрізки дроту. (Можна замінити пластиковим стаканчиком і скрюченими смужками фольги).
,
екземпляр.
Отже, потрібну баночку зовні і зсередини акуратно обклеюємо алюмінієвою фольгою, намагаючись не допускати в ній складок або розривів. Вона служитиме обкладинками конденсатора.
Потім, потрібно в кришці виконати отвір, і пропустіть в нього провід, який з'єднується з внутрішнім шаром фольги. Кришку «повертаємо» на місце.
На цьому, власне, і все. Лейденська банка готова!
Висновок
Зараз лейденська банка застосовується в основному тільки в конструкції електрофорної машини, в електротехніці вона витіснена куди більш ємними та зручними високовольтними конденсаторами.
Але пояснюючи дев'ятикласникам, що таке конденсатор, не можна не сказати, що цей елемент може бути ще й чудовим сховищем електронів.
Однак реально ця функція має певні обмеження через не ідеальність ізоляційних характеристик використовуваного діелектрика.
Проте конденсатор має властивість досить тривалий час зберігати. електричну енергіюпри відключенні від ланцюга заряду, тому він може бути використаний як джерело живлення.
Завдяки своїм унікальним фізичним властивостямці елементи знайшли настільки широке застосування в електронній та електротехнічній промисловості, що сьогодні рідко який електротехнічний виріб не включає принаймні один такий компонент для будь-якої мети.
Підсумовуючи, можна констатувати, що конденсатор - це безцінна частина величезної кількості електронних і електротехнічних пристроїв, без яких був би немислимий подальший прогрес у науці та техніці.
Література
Ян Абрамович Шнейберг. Історія видатних відкриттів та винаходів (електротехніка, електроенергетика, радіоелектроніка) Науково-популярне видання. М.: Видавничий дім МЕІ, 2009. - 118 с.: Іл.
Веселовський О. Н., Шнейберг А. Я "Нариси з історії електротехніки" (інтернет-видання)