У 1913р. Петербурзький університет отримав нового співробітника – фізика А.Ф.Іоффе. При спеціальності інженера-технолога, маючи схильність до науковій роботіДо цього він протягом кількох років працював у Мюнхенському університеті під керівництвом кращого фізика-експериментатора Європи В.К.Рентгена. Там він і захистив докторську дисертацію.
Тепер його науковим керівником став фізик О.Д.Хвольсон. У розмові про майбутні дослідження цей керівник запропонував йому «продовжити чудову традицію російських учених» відтворювати кращі наукові закордонні роботи. Зрозуміло, що учневі Рентгена, першого лауреата Нобелівської премії з фізики, навіть чути про це було дивно. Він перепитав: "Чи не краще ставити нові ще не дозволені питання?". На що Хвольсон відповів: «Але хіба можна у фізиці вигадати щось нове? Для цього треба бути Джі Джі Томсоном».
Дійсно, Дж. Томсон, першовідкривач електрона, був великим фізиком. Але потім виявилося, що й А.Ф.Іоффе теж умів ставити питання в науці і вся світова напівпровідникова техніка, по суті, почалася з нього. До того ж він став організатором російської наукової школи, учнями якої пишалася будь-яка країна світу, серед яких І.В.Курчатов і нобелівські лауреати Н.Н.Семенов, П.Л.Капіца.
Вміння ставити природі запитання та отримувати на них відповіді за допомогою експерименту вважається найважливішим у житті науки. А діячі, які вміють це робити, таки є видатними вченими. Але її так і неправий був і О.Д.Хвольсон. Фундамент сучасної фізики складається з висновків робіт першопрохідників, які регулярно перевіряються, перевіряються ще раз, уточнюються. У разі непідтвердження висновків руйнуються цілі розділи наук, а потім ретельно зводяться нові стіни, філій цієї науки, які ведуть до нових відкриттів, нових побудов. Такий процес триває століттями і не має цього кінця.
Тут ми розповімо історію про експеримент одного вченого, якого зацікавило перспективне наукове питання про фізичне явище і яке намагалося вирішити його за допомогою простого та переконливого досвіду, але що призвело до ситуації, що називається колізією. Це той випадок, коли отримані результати суперечать один одному.
Ніхто не зможе назвати точну дату наукового відкриття того факту, що електричні зарядиможна накопичувати за допомогою спеціальних пристроїв, що згодом названих лейденськими банками і пізніше отримали свій розвиток у приладах, що іменуються . Але можна стверджувати, що після 1745р. за допомогою лейденської банки вдалося з'ясувати високу швидкістьпоширення електрики, його вплив на організм людини та тварин, можливість підпалювання електричними іскрами горючих газів тощо. Тисячі дослідників намагаються застосувати цей прилад потреб народного господарства. Проте саму лейденську банку чомусь ніхто й не намагається вивчати.
Перше питання природі по самій банці ставить великий американський учений-самоучка Бенджамін Франклін. Нагадаємо, що лейденська банка на той час являла собою звичайну закупорену пляшку з водою, в пробку якої було вставлено залізний стрижень щодо цієї води. Саму пляшку чи тримали в руках, чи ставили на свинцевий лист. Таким і був її пристрій.
Франклін поставив питання з'ясувати, де ж у цьому простому апаратізі скла металу та води може накопичуватися електрика. У залізному стрижні, воді чи самій пляшці? Зараз, коли існують різні вимірювальні прилади та половина населення користується комп'ютерами, це питання багатьох поставить у глухий кут. Подивимося, як вирішувалося це завдання у 1748 р, коли єдиним вимірювальним приладом був сам експериментатор, що пропускає через себе болючі електричні удари. Здебільшого наводитимемо опис експериментів самим автором дослідів, щоб переконатися в їхній геніальній простоті.
«Маючи намір дослідити наелектризовану банку, щоб встановити, де прихована її сила, ми помістили її на скло і вийняли пробку з дротом. Потім, взявши банку в одну руку і піднісши інший палець до її горловини, ми витягли з води сильну іскру з настільки ж сильним ударом, як би провід залишався на своєму місці, а це показало, що сила ховається не в дроті». Тут автор дротом називає вивідний стрижень банки.
«Після цього з метою з'ясування, чи не знаходиться електрика, як нам думалося, у воді, ми знову наелектризували банку. Поставивши її на скло, вийняли з неї, як і раніше, провід із пробкою; потім усю воду з банки ми перелили в порожню пляшку, що теж стояла на склі. Ми вважали, що якщо електрика знаходилася у воді, то при дотику до цієї пляшки ми отримаємо удар. Жодного удару не було. Звідси ми зробили висновок, що електрика або була втрачена при переливанні, або залишилася в банку».
«Вірним виявилося, як ми встановили, останнє, тому що при випробуванні цієї банки був удар, хоча в неї ми налили просту воду з чайника». Франкліну нічого не залишалося, як визнати, що заряд у банку міг бути лише у її склі.
«Щоб з'ясувати потім, властива ця властивість пляшці або її формі, ми взяли лист скла, поклали його на долоню, прикрили зверху пластинкою свинцю і наелектризували останню. Піднесли до неї палець, внаслідок чого була іскра з ударом». У такий спосіб було визначено, що форма скла на результат не впливає. Результатом розв'язання цього завдання став Франкліна винахід плоского конденсатора, однією пластиною якого була долоня експериментатора, а інший - лист свинцю. Втім, надалі він долоню замінює також свинцевий лист.
У кого могли виникнути сумніви у науковій чистоті експерименту американців? Він сміливо міг стверджувати, що в електричній ємності "в сконденсованому вигляді" заряд знаходиться в СКЛІ. Ці досліди за необхідності міг повторити будь-який і перевірити висновки Франкліна. Напевно, такі досліди проводилися і висновки підтверджувалися багатьма вченими. Було навіть створено демонстраційну модель лейденської банки, з допомогою якої показували учням спрощений варіант досвіду, потім які з неправильним висновком. Адже якби Франклін замість води застосував у досвіді ртуть, результат міг бути прямо протилежним.
Експерименти з лейденською банкою були дуже ефектними і повністю відповідали ідеям освіченого абсолютизму, тому стали модними у вищому світлі та в них брали участь навіть вінценосні особи. А абат Ж.А.Нолле навіть обійняв посаду офіційного електрика за короля Людовіка XV. Він то й дав назву приладу на ім'я університетського міста Лейдена в Голландії, де швидше за все і був винайдений цей прилад.
Десяток років експериментів не пропали даремно. Було точно встановлено, що результати дослідів не залежать від складу води (придатна будь-яка). Більше того, замість води в банку можна було насипати свинцевий дріб або просто усередині його зміцнити свинцеву фольгу. На дію банки це не позначалося. Банки для посилення дії навчилися збирати батареї.
Було встановлено, що банки більшого обсягу (отже і з більшою поверхнею скла) давали сильніші розряди. А ось залежність удару від товщини скла була зворотною. Тонкіші скла давали сильніший розряд. Дивно, що за допомогою сили електричного удару дослідника вчені досить точно підійшли до добре знайомої нам формули ємності плоского конденсатора. Згодом історики науки жартома назвуть цей метод вимірювань ШОКМЕТРОМ. (Від французького ШОК – удар, поштовх).
Для пояснень електричних явищ у науковому середовищі було висунуто кілька теорій, які знайшли застосування серед учених. У тому числі була й унітарна теорія електрики, запропонована самим Франклином. Відповідно до цієї теорії електрика являла собою якусь невагому рідину, яка заповнювала всі тіла. Якщо в тілах було більше або менше цієї рідини, то тіло набувало заряду. При надлишку цієї рідини тіло мало позитивний заряд, при нестачі - негативний. Ця теорія пізніше знайде свій розвиток в електронній теорії провідності.
З допомогою цієї теорії було легко пояснити явища, які у конденсаторі (лейденській банку). При зарядженні електрична рідина з однієї обкладки конденсатора перетікає до іншої обкладки. Наслідком є позитивний заряд однієї обкладки та негативний інший. Скло між ними служить лише ізолятором та нічим іншим. Розрядити такий конденсатор легко. Достатньо замкнути ці пластини провідником або тілом людини. Але результати досвіду Франкліна говорили про те, що заряд у склі! Як же це все розуміти?
Деякі вчені, щоб підтвердити правильність унітарної теорії, намагалися забрати з досвіду скло. Вони заряджали два металеві бруски, що висіли поруч. Безперечно, що вони являли собою конденсатор, але без скла. На жаль, такий конденсатор експериментатора струмом не вдаряв і питання залишалося невирішеним.
У 1757 році в Петербурзі вийшла друком праця російського академіка Франца Епінуса «Досвід теорії електрики та магнетизму», в якій описаний досвід, який вирішив це завдання. За основу він взяв свою думку про те, що електризація брусків була правильною, але потрясіння експериментатора ударом не було через малу ємність такого конденсатора. А збільшити ємність його можна збільшенням обкладок конденсатора та зменшенням відстані між ними. У зв'язку з тим, що експериментатор для здійснення цього досвіду винаходить новий вид електричної ємності - конденсатора з повітряним діелектриком, ми наводимо текст самого Ф. Епінуса.
"Отже, щоб отримати велику поверхню, я подбав про виготовлення дерев'яних пластин, поверхня яких мала близько восьми квадратних футів, я підвісив їх, обклавши металевими листами на відстані півтора дюйми один від одного в положенні паралельному одна одній". Він зарядив такий конденсатор і розрядив через себе.
«Я негайно отримав сильне потрясіння, подібне до того, яке викликає лейденська банка. Крім того, цей прилад міг відтворити і всі інші явища, які утворюються в банку; немає потреби руйнувати їх розгляд». Зауважимо, що вісім квадратних футів це трохи менше за квадратний метр.
Останнє зауваження про «всі інші явища» дуже суттєво. Воно підкреслює, що електрика з такого конденсатора ТОЧНО ТАКЕ, як і з лейденської банки. Але тут не було шибки, а припускати, що заряди знаходяться в навколишньому повітрі було непродуктивно. Пізніше, в 1838 році такі речовини «за допомогою або через які діють електричні сили» М.Фарадей назве ДІЕЛЕКТРИКАМИ. Епінус робить у книзі зауваження: «Я зрозумів, що з Франкліним трапилося щось таке, що може статися з кожною людиною», натякаючи на латинське прислів'я - Errare humanum est - людині властиво помилятися.
Ф.Епінус вислав до Америки свій твір спеціально для Франкліна, але той вже практично перестав займатися дослідженнями з електрики, виключаючи практичне застосуваннявинайденого ним громовідведення. Він став політиком. А Катерина II відлучила від академічної діяльності у Росії Ф.Епінуса. Вона призначила його вчителем фізики для свого сина Павла, який потім став імператором. Адже він був запрошений до Петербурга на зміну загиблого при дослідженнях атмосферної електрики Г.В.Ріхмана. Так і вийшло, що питання з приводу дослідів із лейденською банкою залишалося невирішеним ще довгий час.
І ось переді мною підручник з електрики 1918р. видання. Це переклад книги французького автора Жоржа Клода з довгою назвою «Електрика для всіх і кожного зрозуміло викладене». У ньому йде опис досвіду з лейденською банкою, як і у Франкліна, але вже за відсутності води взагалі. Див. малюнок.
Зліва зображено лейденську банку у зборі. Літерами А, В та С позначені її складові частини. А і В – це внутрішня та зовнішня обкладки банки. С - це скляна склянка, що служить діелектриком. Така банка у зборі заряджається при демонстраційному досвіді, потім заряджена розбирається демонстратором у гумових рукавицях. Для доказу факту, що обкладення банків немає заряду, їх контактують друг з одним. Переконуються, що іскри нема. Потім банку збирають. На подив вона виявляється знову зарядженою і дає найпотужнішу іскру. Цей досвід ставив багатьох у глухий кут. А наука не терпить неясностей. Однак пояснення ситуації було дано лише 1922 року.
У тому році в лондонському «Філософському журналі» було надруковано статтю фізика Дж.Адденбрука «Вивчення дослідів Франкліна з лейденською банкою», де автор дійшов дивовижних результатів, що розставили всі крапки над i. Виявляється, скло у звичайних умовах завжди покрите водяною плівкою, ми це спостерігаємо за запітнінням вікон. До речі, ця плівка не завжди спостерігається візуально. Ось там те й залишаються заряди на конденсаторі, що розбирається, і грають роль обкладок в стакані, що стоїть окремо. При вживанні Адденбруком склянки не зі скла, а з парафіну, на якому не утворюється скляна плівка, виходить протилежний результат франклиновскому. У сухій атмосфері «ефект Франкліна» на розбірній лейденській банці теж не спостерігається.
Скринька, виявляється, відкривався просто. Але ключик до нього шукали майже 175 років.
Література:
1.В.Франклін. Досліди та спостереження над електрикою. М., АН СРСР, 1956, Стор. 29-30.
2. Ф.У.Т.Епінус. Теорія електрики та магнетизму. М., АН СРСР, 1951, Стор. 70-92.
3. Жорж Клод. Електрика для всіх і кожного зрозуміло викладена колишнього вихованця школи хімії та фізики в Парижі. Переклад із франц. С-Петербург, Видання В.І.Губінського. Рік видання не вказано. (1918)
4. Л.Крижанівський. Загадка лейденської банки. "Квант" № 11, 1991. з 28,29.
Зі школи всі чули про чудову електричну річ з назвою «лейденська банка». Однак, поспілкувавшись із деякими моїми друзями, далекими від техніки, я з подивом виявив, що лейденська банка в їхньому розумінні — якийсь чудовий артефакт, який поступається хіба що тільки «нерозгаданим винаходам Тесли». На жаль, лейденська банка — це лише примітивний конденсатор, причому примітивний він так само за конструкцією.
Конденсатор - річ нескладна, складається з двох провідних пластин з діелектриком між ними. Місткість конденсатора залежить від площі цих пластин, від відстані між ними (що вони ближче, тим ємність більше) і від діелектричної проникності діелектрика (тобто від матеріалу між пластинами).
Взагалі дивно, що лейденську банку не винайшли раніше, ніж 1745 року. Її винахідник робив експерименти з електрикою, наливши в банку воду і застромивши в неї штир, який заряджався статично. Тримаючись за штир, він поклав руку на стінку банки. Внутрішнім електродом конденсатора виступила рідина у банку, а зовнішнім – долоня, прикладена до скла. Вийшов замкнутий ланцюг через винахідника — і він це відразу відчув (таке важко не відчути). Я підозрюю, що лейденську банку відкривали до цього багато разів, але всім здавалося, що їх довбало через контакти — лише одна людина звернула увагу, що скло це діелектрик.
Однак далі починаються помилки.
Якщо швидко з'ясувалося, що для функціонування лейденської банки достатньо двох шарів фольги з обох боків скла, то з ємністю було не так ясно. Вважалося, що електрична ємністьбанки залежить немає площі поверхні її стінок, як від обсягу. І тому майже на початок 20-го століття будували лейденські банки багатолітрового обсягу й у збільшення ємності з'єднували в батареї.
Вже це є широким полем діяльності для попаданца.
Адже достатньо зробити плоскі конденсатори, Склавши в стопку листи фольги і слюди і з'єднавши фольгу через одну. Місткість буде набагато більшою, ніж у класичній лейденській банці, а вага та обсяг — значно менше. Можна купувати патент, дуже вигідний для 18 століття.
Конденсатор хороший тим, що побудувати його можна в будь-якому суспільстві, яке знає метали. Адже метал можна взяти будь-який — та сама мідь більш ніж годиться. Та й діелектрик теж можна взяти будь-хто - від вощеного паперу до повітря. Хоча тут доведеться повозитись — щоб діелектрик був придатний за будь-якої вологості, не деградував з часом і не плавився від спеки. Слюда - один з кращих варіантів, діелектрична проникність у неї 7.5 (у кварцу - 4, у - 4.5, у - 4.7). Звичайно, є варіанти з керамікою, де діелектрична проникність коливається від 10 до 20, але це спеціальна кераміка типу, що недешево.
Варто лише пам'ятати, що від якості діелектрика залежить напруга, яку конденсатор витримує до пробою. Класична лейденська банка хороша тим, що в ній діелектрик — скло, що дозволяє будувати дуже високовольтні банки, хоч і невеликої ємності.
Конденсатор дуже цікаво поводиться, якщо до нього підключити не постійний струм, А змінний. Постійний струм не проходить через конденсатор, адже ізолятор між обкладками – це розрив ланцюга. Але якщо прикласти змінний струм, то він починає поперемінно заряджати обкладки і конденсатор стає провідником — точніше резистором. Він набуває так званого реактивний опір. І опір це залежить від ємності конденсатора та від частоти струму. Конденсатори малої ємності краще проводять високочастотно. змінний струмі навпаки.
Навіщо потрібен конденсатор у давнину? Запитання радіо залишимо для інших статей. А конденсатор стане в нагоді в ритуальних цілях. Згадка про перший удар струмом залишиться у неофіта до труни. А у попаданца напевно виробиться звичка заземлювати вівтар перед роботою з ним.
Знаходяться люди, які ненавидять історичні екскурси, веселі анекдоти, наведені нижче, докладний виклад. Відвідують інтернет, вивуджуючи формулу електроємності лейденської банки, хочуть негайно бачити. Будь ласка:
C = q/U, q – заряд, що накопичується лейденською банкою, U – різниця потенціалів між висновками. Інше вираз дозволяє висловити електроємність конденсатора площею обкладок, відстанню з-поміж них:
електроємність конденсатора підвищується зростанням площі, зменшення зазору. ε – діелектрична проникність речовини між обкладками, ε(0) – електрична постійна, що дорівнює 8,85 пФ/м.
З вказаних причин найбільшої електроємності мають оксидний тип. Обкладки розташовані впритул.
З історії
Двигун прогресу
Більшість великих винахідників так чи інакше захоплювалися історією природознавства. Тесла зацікавився електрикою, коли побачив іскри з вовни звичайного кота. Були часи, далеко не кожен мав освіту. Георг Ом мав нещастя народитися в бідній сім'ї, облагодієний батьком мав під рукою книги з математики, наставника. Завдання, яке у 20-ті роки XIX багатьом видалося непосильним, вирішено з отриманням .
Після Другої світової країни досягли неймовірного розвитку. Росія, на жаль, до їх числа не входить. Безперечний успіх знайдено, де раніше вчені уми закладали фундамент. Достатньо подивитися ВВП наддержав:
- Перше місце вибороло США. Дика земля із завидною постійністю служила притулком вчених. Промисловці постійно думали, як заробити. Едісон відомий, переможений Миколою Тесла, обманутим ділом трохи раніше. Більша частина побутової технікизапатентована, вигадана США. Міксери, блендери, кавоварки. Карол Поллак на конденсатор узяв патент США.
- КНР посідає друге місце. Аналітики пророкують наддержаві велике майбутнє. Іншим – не подобається Китай, який постійно копіює чужу техніку. Йосип Сталін займався випуском автомобілів СРСР, уникаючи оплачувати копійки за патентами іноземних фірм. З виробництва конденсаторів Китай, напевно, наздогнав трійку лідерів.
- Третє місце посідає Японія, ставку було зроблено на політику Великого ривка. До Другої світової війни феодальна держава, наступні сорок п'ять років. сонця, що сходитьпослідовно займалася інноваціями у наукомісткі галузі. Винаходи прийшли з островів, через недостатність міжнаціонального спілкування позбавлені належної світової популярності.
- Четверте, п'яте, шосте місця посідають Німеччина, Великобританія, Франція. Держави, які безперервно сваряться в минулому, перейняли б манеру вчених кіл, які постійно обмінюються досвідом, ідеями. Були дуже тривалі поїздки (згадавши Деві та Фарадея). початок електролітичних конденсаторівзакладено Німеччиною, першість заперечується Нідерландами (18 місце).
Висновок напрошується: наукове надбання важливіше миттєвої вигоди. Достатньо вигадати новий конденсатор, придумати способи використання, взяти патент, негайно почнете заробляти. Господь благословив Америку, стверджують мешканці США неофіційним гімном. Стояв позаду, виступав щитом, як обіцяно Старим Завітом. Винахідники волею провидіння приносили прибуток.
Лейденська банка
Відкидаючи чутки, першим винахідником лейденської банки, безперечно, є Евальд фон Клейст. Перший конденсатор мало нагадує той, куди закручували овочі. Явище накопичення заряду виявили з прикладу пляшки з-під вина. Фон Клейст опустив у ртуть провід електростатичного генератора, притримуючи конденсатор. Після розриву з джерелом виявилося: кінчик, що стирчить, б'ється струмом. Набагато сильніше електростатичної машини. Ефект оцінювався нервовою системоюприродовипробувача.
Зроблено правильний висновок: заряд можна запасати електроємністю, механізм залишився таємницею. Передбачалося, що справа у склі (Бенджамін Франклін). Накопичує заряд. Реально провід із ртуттю служили однією обкладкою утвореного конденсатора. Відсутні інструменти оцінити електроємність приладу. На момент середини XVIII століття існував електроскоп, можна було сказати: заряд є, зробити припущення про знак (фон Геріке виявив: наелектризована кулька, притягнута людським носом, після зіткнення починає відштовхуватися).
Виявилося, що алкоголь проводить електричний струм. Вставивши в пробку залізний цвях, запечатавши, фон Клейст насолоджувався ударами запасеного струму від електроємності конденсатора. Поступово конструкція почала більше нагадувати нинішню. У колбу термометра опускався провід зі свинцевою кулею на кінці. Місткість заповнювалася водою. Відсутня важлива деталь – друга обкладка. Електрика могла зберігатися кілька годин, викликати на демонстраціях легкі сполохи, дуже вражала.
Про електричний струм не було відомо зовсім нічого, могло допомогти перевірити наявність заряду більш щадними методами. Фон Клейст торкався контакту пальцем, коли втомлювався терпіти, брав рукою шматочок золотої платівки. Описувані події закінчуються жовтнем 1745 року, через місяць фон Клейст повідомляє про свої досягнення двом іншим ученим:
- У Берлін докторові Ліберкуну.
- У Галлі доктору Крюгеру.
Доводячи оточуючим спроможність робіт, фон Клейст змушував "цілуватися" зі своїм конденсатором, стверджуючи: рідкісний мазохіст захоче продовження вечірки. Від зайвої старанності терника колби іноді розбивалися. Війська конденсаторів зазнавали втрат, Бенджамін Франклін ввів термін батарея. Настільки сильним виявився шок заряду, запасеного електростатичним генератором! Фон Клейст часом тишком-нишком дивувався, якщо конденсатор рукою не притримувати, розряд відсутній: не було поняття електричного ланцюга. Предмети відмовлялися електризуватися контактом, фон Клейст вирішив: людське тіло безперечно має відношення до роботи конденсатора.
Мушенбрук
Слід нагадати: закон про полювання за відьмами нещодавно скасовано, Бенджамін Франклін міг спокійно полювати за блискавками повітряним змієм, естафету німецького вченого перейняв Пітер ван Мушенбрук. Історичні джерела кажуть: чоловік науки винайшов лейденську банку (конденсатор) незалежно від фон Клейста. Мабуть, думка заповнювала ефір, людина просто підхопила, як інші підхоплюють застуду. Результат був більш вражаючим, ніж одужання.
У Лейденському Університеті досі досліди фон Клейста замовчують. Лаври віддані Мушенбруку, дата відкриття конденсатора із задокументованої демонстрації січня 1746 року переноситься на таємничий день 1745 року. Передаючи честь винаходу. Можна припустити: Мушенбрук таємниче мовчав, уподібнюючись до риби…
Вчений Пітер Ван Мушенбрук
На початку 1746 повідомлено Рене Антуан Реомюр. Не можна сказати, щоб діяч науки обіймав помітну посаду, але 40 років висвітлював присутністю кола, міг оцінити значущість винаходу конденсатора. Головне, Реомюр знав особисто священика, члена Академії наук (Франції) Жана-Антуана Нолле, великого ентузіаста, веселуна. Припускають, що останній хотів виміряти на ченцях, керуючись лейденською банкою швидкість руху електричного струму. Задумане провалилося: 700 людей закричали одночасно. Миттєво повірили у науку, існування електроємності конденсатора. 180 королівських мушкетерів не змогли відповісти залізною стійкістю, піддавшись розправі - увірував Людовік XV. Кадри вирішують все - на відміну від фон Клейста, ван Мушенбрука Нолле знайшов негайне визнання, конденсатор набув популярності.
Проте! Ван Мушенбруку пощастило більше за попередника. Багато хто твердить: перший удар струмом отримав студент на січневій демонстрації, сама постановка питання натякає: вчений знав наслідки розряду електроємності конденсатора, хитро посміхаючись, спостерігав учнів. Інші джерела кажуть: відкриття було зроблено раніше. У лабораторії Мушенбрук намагався отримати іскри, заручившись допомогою дула рушниці: мабуть, швидко зрозумів, як поводитися зі скляною кулею статичного електрогенератора, щоб залишитися живим. Вийшло волею випадку, на столі лежала банка, заповнена водою, до ствола навіщось прив'язаний мідний дріт, що опускається всередину судини.
Іскра чомусь була відсутня, Мушенбрук, задумавшись, однією рукою опер стіл, торкнувшись банки, другою взявся стовбур, закоротивши таким чином ланцюг розряду електроємності конденсатора. Миттєво зрозумів справжнє призначення – недарма кажуть: незаряджена рушниця раз у житті стріляє. Потрібно було стати фокусником чи факіром! Чи жарт, створити зі звичайною мисливською рушницею. Віддача була дуже сильна, таке відчуття, ніби потрапила блискавка. Вчений прийшов до відкриття. Зумів виявити одну річ: ланцюг легко замикався через металеву стільницю. Пояснити явище таки не зміг.
Залишається гадати, чи була на лекції-демонстрації рушниця, але один мисливець точно був присутній!
Конструкція лейденської банки
Лейденська банкапочала нагадувати закрутки. Замінили винну пляшку. Поверх щільно накручували металеву кришку, що входить до електрода. Банки стали поєднувати батареями (показано малюнком), ставили в ящик. Мушенбрук зауважив: без нагляду прилад швидко втрачає заряд.
Лейденські банки Марконі
Лейденські банки використовувала техніка з простої причини. Давали сильний сигнал, що дозволяє телеграфу функціонувати. Зарядити пристрій можна було вручну, непогана альтернатива. Визначення видасться дивним, раніше приладами телеграфного зв'язку обладнали кораблі. Моряки уникають жартів. Представлене зображення демонструє продукцію фірми Марконі, обладнання стояло на Титаніку, що затонув. Увечері одному із двох радистів не пощастило, пішов на дно.
Після лейденської банки
Пристрої використовувалися понад півтораста років із великим успіхом. За допомогою лейденської банки було збудовано перший коливальний контур. Оскільки скрізь використовувався постійний струм, потреби винаходити не було. Задоволені гальванічними елементами, лейденськими банками. Згодом з'явилися акумулятори, різновид електрохімічного джерела струму.
Смішно, серйозні причини появи перших конденсаторів у сьогоднішньому вигляді створив знову-таки Нікола Тесла. Багато написано про серба, ніяк не можна перебрати заслуг. Вчений почав для моделювання пристроїв використовувати коливальні ланцюги. Знаменита башта Вондеркліфф – резонансний електричний контур вражаючих розмірів.
Наприкінці ХІХ століття почали з'являтися світ конденсатори різного штибу.
Англійський хімік, фізик та історик науки Джозеф Прістлі назвав лейденський досвід найчудовішим відкриттям у галузі електрики. Цей досвід, яким увінчався винахід першого конденсатора, був науковою сенсацією XVIII століття: всіх захоплювала довга блакитна іскра і дивувало «електричне потрясіння» при розряді лейденської банки через тіло експериментатора; знавці цінували здатність лейденської банки накопичувати великий заряд і довго зберігати його.
У музеї-садибі «Архангельське» під Москвою зберігається картина художника Шарля-Амедея Ван Лоо «Електричний досвід» (1777). У чому, власне, полягає досвід, настільки достовірно зображений художником?
До винаходу «вольтова стовпа» (1799) лабораторними джерелами електрики служили тільки машини, засновані на електризації тертям. Така машина і зображена на картині — скляна куля, яка при обертанні третиться про подушечку і виробляє заряд (раніше куля терлася просто об руки асистента). Дівчина, зображена у центрі картини, стоїть на ізолюючій підставці. Стрижень, який дівчина тримає в лівій руці, майже стосується кулі, що обертається. Видно іскри між кулею і стрижнем. Тіло людини — загалом непоганий провідник, тому інший стрижень, який дівчина тримає в правій руці, також виявляється зарядженим.
Головний учасник досвіду – бідолаха-негритенок. У правій руці він тримає посудину з водою, куди занурений щойно згаданий стрижень. Посудина — і є лейденська банку її початковому варіанті (1745 р.). У лейденській банці, зображеній на картині, діелектриком служить скло, внутрішнім електродом — вода, а зовнішнім — долоня експериментатора. На картині зображено момент заряджання конденсатора. Мине миттєвість, негритенок наблизить вільну руку до стрижня, між стрижнем і рукою проскочить іскра - і конденсатор розрядиться через негритенка, який зазнає електричного удару.
Одне з перших досліджень лейденської банки провів американський вчений, просвітитель і політик Бенджамін Франклін, який встановив, зокрема, що в лейденському банку одночасно накопичуються заряди, рівні за величиною та протилежні за знаком.
Франклін запитав, де ж, власне, «сидять» заряди в лейденському банку. Для отримання відповіді на це запитання Франклін зробив такий досвід. Він зарядив лейденську банку, а потім вийняв із неї стрижень і вилив «наелектризовану» воду в іншу посудину. Лейденський досвід із цією судиною не вийшов, зате налив нової водив першу лейденську банку, Франклін розрядив її через своє тіло і зазнав електричного удару практично такої ж сили, якби він не виливав «наелектризовану» воду. Франклін зробив висновок, що заряди сидять у склі, а не у воді, як він спершу припустив.
Цей досвід описується багатьма істориками науки, які явно чи неявно підтверджують справедливість висновку Франклина. На жаль, залишилося майже непоміченим дослідження Адденбрука (1922), в якому показано помилковість виведення Франкліна.
Адденбрук зробив розбірний конденсатор, що складається з трьох циліндрів: одного скляного та двох металевих, що щільно прилягають до скляного зсередини та зовні відповідно. Дослідник зарядив такий конденсатор, потім акуратно розібрав його та ввів у дотик один з одним металеві циліндри. Якщо циліндри були заряджені, всі вони, природно, мали у своїй розрядитися. Адденбрук знову зібрав конденсатор. Як і в досвіді Франкліна, конденсатор виявився зарядженим практично так само, як спочатку. Але Адденбрук не поспішав підтвердити висновок Франкліна. Він проробив подібний досвід із парафіновим циліндром замість скляного, і в цьому випадку вийшов результат, протилежний франкліновському: відновлений конденсатор був незарядженим, а заряди, як виявилося, «сиділи» на металевих циліндрах-обкладках (зрозуміло, до їхнього дотику).
Адденбрук зробив висновок, що «ефект Франкліна» обумовлений водяною плівкою, якою у звичайних умовах завжди вкрите скло. Справа в тому, що заряди в стані рівноваги розташовуються на поверхні провідника, роль якої виконує плівка води. При видаленні провідника (зливанні води, наприклад) майже всі заряди провідника залишаються на цій плівці. Якщо ретельно просушити скло та провести досвід у сухій атмосфері, то «ефект Франкліна» не спостерігається.
Звичайно, у досвіді Франкліна завжди має місце перетікання іонів на скло, але цей ефект незначний. Неістотний у разі і електретний ефект. Слід зауважити, що водяна плівка на обідку лейденського судини не перешкоджає його зарядженню через малу рухливість іонів (розрядка конденсатора плівкою відбувається набагато повільніше, ніж його зарядка).
Є багато шкільних завдань з фізики, в яких йдеться про уявні експерименти з видаленням та заміною діелектриків конденсатора. У цьому мовчазно мається на увазі, що «ефект Франкліна» відсутня, т. е. заряджені лише обкладки конденсатора. Як бачимо, насправді справа складніша.
Для виготовлення лейденських банок можуть бути взяті будь-які скляні банки з-під фруктів, широкогорлі пляшки або просто чайні склянки. Місткість конденсатора - лейденської банки залежить від її обсягу. Тому для того, щоб нагромадити більше електрики, треба робити більше і лейденську банку. Найкращими для цього будуть скляні банки з-під консервів ємністю 0,5 або 1 літр. Нам потрібно взяти чотири однакові банки.
Всі банки на 3/4 їх висоти необхідно обклеїти станіолем - олов'яною фольгою, що вживається для обгортки чаю, шоколаду та інших продуктів. Також обклеюються банки та зсередини. Необхідно заклеїти станіолем з обох боків дно банки. При цьому треба стежити, щоб на станіолі не виходило складок та розривів. Якщо десь будуть невеликі дірочки, їх заклеюють кружальцями станіоля. Приклеювати станіоль можна конторським клеєм. Можна обійтися і без внутрішнього обклеювання банки, а просто насипати трохи в банку дрібно настриженої фольги і спустити в неї приймач із дроту.
Приймач для лейденської банки можна виготовити у різний спосіб. Приймач - це металевий стрижень з кулькою або петлею на кінці, що служить для з'єднання внутрішньої обкладки банки з кондуктором електричної машини. Зміцнити їх у банку можна шляхом широкого кільця, зробленого протилежному кінці стрижня. Кільце це має щільно входити до банку до самого дна. Можна також звити спіраль за внутрішнім діаметром банки. Якщо для банки буде використано пляшку з широким горлом, то стрижень зміцнюється у пробці, якою закривається пляшка. Стрижень повинен доходити до дна банки та щільно притискатися до станіолю. Щоб не подряпати і не прорвати внутрішню обкладку банки, на кінці стрижня також треба зробити маленьке колечко, яке може пройти через горло пляшки. Якщо горло пляшки не дозволить вам обклеїти її начинку, то внутрішню обкладку банки замінить налита в неї вода з невеликим додаванням солі. Рівень води має відповідати рівню зовнішньої обкладки. Можна в пляшку насипати дроби до такого рівня.
Батарея з лейденських банок виготовляється просто. Усі приймачі банок з'єднуються між собою голим мідним дротома банки встановлюються на дошку, обклеєну станіолем. Така батарея накопичуватиме електрики вчетверо більше, ніж одна банка. Виготовлення лейденських банок та батареї з них показано на рис. 5 а і б.
Рис. 5. Лейденські банки та їх з'єднання у батареї.
а-лейденські банки, б-акумулятор з лейденських банок, в-розрядник.