Ответ на Задание №1, Параграф 54 из ГДЗ по Физике 8 класс: Пёрышкин А.В.
ГДЗ (готовое домашние задание из решебника) по Физике 8 класса авторов А. В. Перышкин. — М. : Дрофа, 2013-2017 на Задание №1, § 54. Конденсатор.
Издание: Физика. 8 класс. : белый учебник для общеобразовательных учреждений / А. В. Перышкин. — М. : Дрофа, 2013-2017г.
Условие
Используя Интернет, найдите, как был устроен первый конденсатор — лейденская банка. Изготовьте её.
Решение №1
Подробное решение
- Белый фон переписывать в тетрадь
- Цветной фон теория и пояснения
Лейденская банка — первый электрический конденсатор
В эпоху первых электростатических машин трения, таких как машина Фрэнсиса Хоксби в форме вращающейся стеклянной сферы, которую для электризации нужно было натирать шерстью или сухой ладонью, интерес к экспериментам с электричеством возникал у очень многих европейских исследователей.
В частности, немецкий физик Георг Маттиас Бозе примерно в 1730 году придумал прислонять к вращающейся сфере подвешенный на изолирующих нитях проводник, который мог бы передавать электричество другим телам.
После исследовательских работ Бозе с электризацией проводящих тел, сразу двое экспериментаторов, независимо друг от друга, пришли к мысли о том, что от машины Хоксби через изолированный проводник электричество можно было бы попробовать собрать в банку и накопить, подобно воде.
Тогда уже было известно, что через стекло электричество не проходит. Первого экспериментатора звали Эвальд Юрген фон Клейст, он был физиком из Германии, вторым был Андреас Кюнеус — из Голландии, работник лейденского университета и помощник в лаборатории профессора Питера ван Мушенбрука.
Электрические заряды, генерируемые при натирании руками вращающегося шара машины Хоксби перетекают через железные цепи и дуло ружья (простейший проводник), подвешенного на шелковых нитях, заряжая стеклянную банку с водой.
И Клейст и Кюнеус — оба в итоге получили удары током, сопровождаемые электрическими искрами, от прикосновения к изолированному проводнику, по которому электричество перемещалось от машины Хоксби — в банку, тогда как саму банку они держали в другой руке.
Известно, что Кюнеус хотел достать входящий в банку медный стержень. Это было в 1745 году, который теперь считается годом изобретения лейденской банки.
Профессор Мушенбрук сообразил, что критически важным был тот факт, что экспериментаторы держали банку за наружную ее часть в руке во время накопления электричества. Тогда то он и предложил первый прообраз внешней обкладки конденсатора, заменив руку экспериментатора на свинцовую фольгу.
Мушенбрук и его помощник работали в Лейдене, поэтому изобретение назвали Лейденской банкой. Эвальд Юрген фон Клейст назвал свой конденсатор аналогичной конструкции «медицинской банкой».
В 1746 году было установлено, что количество электричества, собираемое в банке, пропорционально размеру ее обкладок и обратно пропорционально толщине изолирующего обкладки стекла.
Лейденская банка считается прототипом современного конденсатора.
После первоначального понимания природы электрического заряда разработка лейденской банки привела к новому явлению разделения и хранения заряда. На двух поверхностях лейденской банки две металлические фольги разделены слоем стекла. Таким образом, такой конденсатор разделяет и накапливает заряды электростатическим способом, что считается основой для дальнейшего развития конденсаторных технологий на протяжении веков.
Эксперименты с новым изобретением подхватили физики из многих стран. Бенджамин Франклин разработал первую теорию работы лейденской банки.
В 40-х годах XVIII века пытались разряжать лейденские банки на значительном расстоянии, включая в цепь длинные проволоки, а также пруды и реки. Такие опыты производил в 1746 году Иоган Генрих Винклер, а также Пьер Шарль Лемонье.
Хранитель кабинета физики из Англии, Уильям Уотсон, попытался даже определить скорость распространения электричества во время разряда — он пропустил ток по проводящему пути длиной в 12000 футов.
Стремление использовать электричество как ток, и ограниченность электростатики, и значение искры — ярко проявилось в предыстории электрического телеграфа.
В 1767 г. итальянский иезуит Иосиф Мария Бозолус предложил воспользоваться разрядом лейденской банки для передачи известий. Для этого он считал нужным провести две проволоки — одну от внутренней и другую от внешней обкладки банки. Концы проволок на станции, принимающей сигналы, должны были находиться на таком расстоянии, чтобы между ними могла проскочить искра.
Через несколько лет швейцарский физик Жорж-Луи Лесаж в Женеве провел между двумя отдаленными пунктами 24 проволоки. На конце каждой проволоки была подвешена пара бузиновых шариков с буквами, и каждый раз, как по одной из проволок проходил ток, банка, наэлектризованные шарики расходились и указывали передаваемую букву.
В конце 80-х годов была осуществлена передача известий по одной проволоке. Французский механик Ломонд пользуется различными отклонениями наэлектризованного смоляного шарика, измеряющими величину заряда, причем углы отклонения соответствуют передаваемым буквам.
В Испании врач и физик Франсиско Сальва предлагает систему лейденских банок и проволок для сообщения между городами, и в 1798 г. он строит при помощи французских инженеров линию между Мадридом и Аранхуэсом протяженностью в 42 км.
Этот опыт показал ему недостатки статического электричества, и в своей статье с характерным названием «Гальванизм в приложении к электричеству» Сальва предлагает воспользоваться уже изобретенным в это время вольтовым столбом.
В 90-х годах XVIII века становится ясным, что статическое электричество по своей природе не подходит для передачи сигналов и известий в отдаленные пункты. Даже удачные попытки не получают применения. В эти годы развивается несравненно более простой, надежный и выполнимый оптический телеграф.
Большой электростатический генератор с лейденскими банками
Вплоть до 70-х годов XVIII века, никто не ставил каких-либо практических задач перед электростатическими машинами и приборами. Кое-кто, правда, применял электрические машины и лейденские банки для медицинских целей, но в большинстве случаев их применяли для лабораторных опытов или просто для эффектной демонстрации нового рода явлений при дворе, в монастырях и университетах и даже в платных публичных представлениях (в Германии и Голландии с 1745 г.).
Болезненные эксперименты с лейденской банкой привели к возникновению электромедицины, поскольку было установлено отчетливое влияние электрических разрядов на организм человека.
Использование лейденской банки в медицине
Первые исследования лейденской банки имеющие определенное научное значение, осуществили, как ни странно, парижские монахи и королевские мушкетеры, но, естественно, не по своей воле.
Разряд достаточно мощной лейденской банки на цепочку из 700 монахов, взявшихся за руки, заставил их одновременно вскрикнуть и повторить судорожные движения, неоднократно наблюдавшиеся ранее при «индивидуальных» экспериментах.
На 180 мушкетерах провел такой же эксперимент придворный «электрик» аббат Нолле.
Приказ короля был стойко выдержать удар. Но перед ударом лейденской банки оказалась бессильной даже гвардейская дисциплина: «Первый держа в свободной руке банку, а последний извлекал искру. Удар почувствовался всеми в один момент. Было очень курьезно видеть разнообразие жестов и слышать мгновенный вскрик, исторгаемый неожиданностью у большей части получающих удар».
Эти эксперименты позволили сделать тогда важный вывод: электричество протекает очень быстро, так как все участники одновременно почувствовали удар.
Жан Антуан Нолле (второй слева), проводит эксперимент с электричеством в 1750 году. В правой руке он держит лейденскую банку.
Сейчас можно оценить величину напряжения, до которого заряжались лейденские банки. Если принять, что для достаточно сильного «ощущения» необходимо напряжение около 110 В, то, учитывая последовательное включение людей в цепочке при экспериментировании, лейденская банка монахов была заряжена до напряжения 70 000 В, а мушкетеры не выдержали удара в 18 000 В.
Конечно, можно потребовать коррекции на различную физическую и психологическую подготовленность монахов и мушкетеров. Но и тогда оценка напряжения на лейденских банках даст величину, достигающую нескольких десятков тысяч вольт.
Однако емкость лейденских банок примерно от 100 до 1 000 пФ и энергия, накапливаемая в них, были сравнительно невелики, что и объясняет благополучный исход большинства экспериментов.
Вследствие малой емкости разряд был очень кратковременным: его можно оценить величинами порядка 10 -5 — 10 -7 секунды при разряде на одного человека и порядка 10 -3 — 10 -4 секунды в опыте с монахами.
Во всех этих случаях требовалась возможно большая электризация и как можно большее накопление противоположных зарядов. И венецианский юрист Пиватти, лечивший электричеством больных и сообщивший ряд достаточно фантастических сведений об этом и аббат Нолле, показавший королю свой необычный эксперимент, и испанец Сальва, пытавшийся передавать сообщения на расстояние — все они нуждались в как можно большем накоплении разноименных зарядов.
Это требование удовлетворялось последовательным усовершенствованием приборов. Поэтому устройство лейденской банки с течением времени изменялось. Сначала использовали воду, затем воду удалось заменить на дробь, а снаружи банку стали покрывать тонким слоем листового свинца. Далее дробь заменили на внутреннее покрытие из оловянной фольги, за тем оловянным сделалось и наружное покрытие банки.
Предлагалось и специальное устройство для разряда лейденской банки : изогнутая проволока с медными шариками на концах, укрепленная на изолирующей (обычно деревянной) ручке.
Касаясь одним шаром наружного слоя металла и подводя второй шарик к выступающему из пробки стержню, можно было вызывать искру, возникавшую в результате электрического пробоя воздуха и сопровождавшуюся громким треском.
На стержне (выводе) банки тоже стали укреплять шарик, так как обнаружили, что при этом искра получается более мощной.
Теперь известно, что шарики делали электрическое поле равномернее, а следовательно, воздух пробивался при более высоком напряжении.
Так лейденская банка приобрела тот законченный канонический вид, какой сегодня можно видеть в учебных классах физики в составе генератора Вимшурста.
Смотрите также другие статьи по истории электротехнике на сайте «Школа для электрика»:
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Лейденская банка
Заряд статического электричества возникает при появлении в объекте избытка или дефицита электронов, а искры проскакивают при обмене электронами, которые стремятся к равновесию. (Ток — это постоянное движение электронов.) Но в XVIII веке люди находили достаточным объяснение, что электростатика вызывается «флюидами», которые просто заполняют объем тела.
Электростатические генераторы, такие как серный шар Отто фон Герике в 1660-е годы и стеклянная сфера Фрэнсиса Хоксби в 1700-е, были просто «фрикционными машинами», где за счет трения флюиды вырывались из одного тела и переходили в другое. Чтобы получить из такой машины одну безобидную искорку, требовались значительные физические усилия, так что интерес к ним был лишь как к новинкам.
В 1740-х годах на вечеринках был популярен трюк «электрический поцелуй». Целующаяся парочка при соприкосновении буквально давала искру, поскольку один из партнеров был электрически заряжен. Если хотели дать более мощную искру, то заряжались сильнее. Но что могло собрать больше электрических флюидов, чем банка?
Фон Клейст использует свои руки как проводники, чтобы зарядить прототип лейденской банки. Разумеется, его слегка бьет током. Дальнейшее развитие лейденской банки показало, что она так же прекрасно работает и без воды
Опасные опыты
В 1745 году немецкий ученый Эвальд Юрген фон Клейст покрыл внутреннюю часть стеклянной банки серебряной фольгой и налил воды. Он проверял идею заряжать воду через контакт электростатического генератора. Идея оказалась неудачной, но не без пользы для науки. Когда ученый прикоснулся к фольге рукой, он получил сильнейший и, без сомнения, опасный электрический удар. Но Клейст выжил и сообразил, что его банка определенно способна сохранять электричество. Но что с ним делать?
Похожий прибор в том же 1745 году построили голландский изобретатель Питер ван Мушенбрук и его ученик Кюнеус в Лейдене. (Кстати, у Мушенбрука и Клейста был общий наставник.) Мушенбрук продемонстрировал свою банку ученым в Лейденском университете, и прибор был назван лейденской банкой. В дальнейшем эта банка претерпела ряд усовершенствований: фольгой выстилалась не только внутренняя поверхность, но и наружная, причем горловина банки оставалась не закрытой фольгой. В опытах с электричеством внешняя фольга непосредственно касалась рук экспериментатора, который сам был «электрической емкостью» этого первого конденсатора.
Лейденская банка действительно была первым электрическим конденсатором — устройством, которое состоит из двух проводящих пластин и собирает электроны. Пластины (листы фольги) разделены между собой изолятором (стеклом), как и в современных конденсаторах. Как только одна пластина (внутренняя фольга) получает электрический заряд, другая (внутренняя пластина или рука) приобретает тот же по величине и противоположный по знаку заряд. Если эти две пластины соединить, разница в зарядах исчезнет.
Если обратиться к самому Бенджамину Франклину, то этот американский государственный деятель сумел доказать, что молния состоит из тех же самых «флюидов электричества», только они накапливаются в тучах. Он собирал электрический заряд с помощью воздушного змея на проводящей нити, и в конце концов искра проскочила между нитью и кольцом на его пальце! Франклин попробовал зарядить этой нитью и стеклянную емкость (иногда пишут, что это была лейденская банка). Проводил ли он на самом деле этот очень опасный эксперимент или нет, до сих пор остается загадкой.
Современные конденсаторы имеют такие большие площади поверхности, что дают не просто искру, а настоящий электрический ток (правда, на короткое время). Лейденская банка собирает чуть больше электричества, чем нужно для большой искры, однако и эта искра слишком скоротечна, чтобы говорить об электротоке. Но спустя 55 лет будут изобретены химические батареи, которые дадут первый электрический ток. Меж тем само слово «батарея» было изобретено Бенджамином Франклином во времена лейденских банок, поскольку батареи этих соединенных между собой банок напоминали ему батареи пушек.
Флюиды из стекла и резины
В 1730-х годах французский физик Шарль Франсуа Дюфе обнаружил, что существует два вида электрических флюидов. Те, которые присутствуют в веществах, похожих на янтарь (их назвали «резиноподобными»), и те, которые присутствуют в стекле (соответственно «стеклоподобные»). Однотипные друг от друга отталкиваются, а разнотипные — притягиваются. В наши дни они получили известность как отрицательные и положительные заряды.
Лейденская банка. Виды и устройство. Работа и применение
Лейденская банка – это первый в своем роде электрический конденсатор, который появился на свет благодаря стараниям немецких и голландских ученых. В 1745 году подобную банку смастерил Эвальд Георг фон Клейст. Через год подобное устройство, но с некоторыми отличиями, создали в Лейденском университете. Этим устройством заинтересовался аббат Нолле из Франции, который продемонстрировал его королю. Именно благодаря демонстрации первая конструкция электрического конденсатора получила название банка из Лейдена.
До изобретения этой банки ученые вырабатывали электричество с помощью диэлектриков в виде стекла или янтаря, а также электростатических генераторов. Клейст решил провести эксперимент, зарядив электрическим зарядом воду в банке посредством штыря из железа. В то же время банка находилась на металлической тарелке. Проведя опыты, он понял, что в банке конденсируется электрический ток.
Виды
Лейденская банка почти всегда имела одно и то же строение. Однако конструкция банки с течением времени усовершенствовалась:
- Изначально вода в ней была заменена на дробь.
- Затем в качестве наружной поверхности стали использоваться тонкие пластины из свинца.
- В последующем вместо пластин из свинца стали применяться листы из оловянной фольги.
Одним из вариантов устройства была батарейка лейденских бутылок, которые имели проводящую жидкость. В них были вставлены стержневые выводы, которые соединялись между собой. Сосуды соединяются с помощью общего вывода, вследствие чего получался большой конденсатор. Это устройство было изобретено Павлом Николаевичем Яблочковым. Указанные блоки можно было соединять последовательно либо параллельно. Конструкция в виде блоков в итоге получила довольно обширное применение в различных отраслях промышленности.
Устройство
Это сосуд из стекла, внутри и снаружи покрытый фольгированным листом. Посредством пробки из резины в сосуд вставляется стержень из металла таким образом, что он касается фольги, расположенной внутри банки. В результате листы фольги, расположенные внутри и снаружи, играют роль электродов при подсоединении их к наружному источнику электроэнергии. Для этого может быть использована батарейка, какой-нибудь аккумулятор, либо палка из эбонита, которую заранее потерли о мех.
Лейденская банка напоминала закрутку. Сверху накручивалась крышка из металла, которая входила в электрод. Через некоторое время банки объединялись с батареями, после чего их помещали в один ящик.
Эти устройства применялись порядка 150 лет. Так как везде был распространен постоянный ток, то не было необходимости изобретать что-то еще. Поэтому в основном довольствовались банками, чтобы обеспечить работу применявшихся в то время телеграфов.
Принцип действия
Лейденская банка имеет принцип действия, свойственный обычному электрическому конденсатору. Основное достоинство банки перед конденсаторами пластинчатого вида кроется в довольно большой поверхности, а также в наличии замкнутого контура при разных и одинаковых параметрах. В качестве источника заряда для банки может применяться батарея, аккумулятор либо другое устройство. Электрический заряд способна выдавать и палочка из эбонита, которая заранее была потерта о шерстяной материал. Она имеет свободные электроны.
При соприкосновении стержня из металла с крышкой сосуда электроны перемещаются от палочки на поверхность внутреннего электрода. В результате отрицательные заряды накапливаются на внутреннем электроде, так как банка имеет ограниченную способность к накоплению зарядов. В виду взаимного отталкивания не весь электрический заряд может перейти на электрод. Возможность накапливания или удерживания заряда как раз и зовется емкостью.
Емкость увеличивается благодаря присутствию второго электрода, который расположен на внешних стенках банки. При заземлении этого электрода, заряд который накапливается внутри, может притягивать с поверхности земли плюсовой заряд, равный такой же величине. Плюсовой заряд на электроде внутри банки притягивает отрицательные электроны, что приводит к частичному сдерживанию сил отталкивания. В результате можно несколько увеличить емкость банки.
Емкость может быть увеличена двумя способами:
- Повышение площади электродов, что позволит рассредоточить заряды, а также снизить взаимно отталкивающие силы.
- Можно также снизить толщину стенки банки. Однако необходимо понимать, что если оставить излишне тонкое стекло, то заряды будут рассеиваться.
Другим способом является подбор изоляционных материалов.
Применение
Лейденская банка считается одним из самых важных изобретений, что дало толчок к дальнейшему изучению электричества. Благодаря этому стали изучаться электропроводящие свойства многих материалов. Именно при помощи этой банки была получена электрическая искра искусственным путем. Сегодня банка в большинстве случаев используется лишь для демонстраций в виде элемента электрофорной машины. Ее заменили устройства в виде современных конденсаторов, которые отличаются большей емкостью и удобством использования.
Тем не менее, использование данного вида конденсатора позволяет наглядно продемонстрировать, как работает это устройство. Но банка имеет определенные ограничения по хранению электронов. Вызвано это не идеальностью применяемых изоляционных материалов. В то же время электроэнергия в такой банке может храниться достаточно долгое время, если отключить ее от цепи.
Благодаря изобретению банки удалось установить влияние элктроразрядов на человека. В результате появилась электромедицина. Именно в этой области стали широко применяться банки для проведения экспериментов и лечения человека. Банки использовались для телеграфов, ведь они давали необходимый сигнал. Устройство заряжалось вручную. Выяснилось, что устройства большего объема могли обеспечивать более сильный разряд.
При этом имелась и определенная зависимость от толщины стекла. При применении банок с тонкими стеклами можно было получать разряд на порядок сильнее, чем с толстыми стеклами. Именно благодаря изучению силы электрического удара появились плоские конденсаторы.
Лейденская банка своими руками
Сегодня подобную банку можно смастерить самостоятельно и в довольно короткие сроки. Для этого потребуется банка из пластмассы, пластина из жести, которой припаивается изолированный провод, фильтровальная бумага, уголь активированный, соленая вода, а также крышка с выводом-контактом. Пластина помещается на дно банки, конец провода выводится наверх. Закрывается бумагой и слоем угля. Наливается вода, а банка закрывается крышкой с выводом. В результате банка будет иметь два изолированных провода. При подведении напряжения появится эффект конденсации.
Похожие темы:
- Ионистор. Устройство, применение, работа. Авто-пусковое устройство
- Виды конденсаторов. Конструктивные особенности. Классификация
- Свойства полупроводников. Устройство и принцип действия
- Последовательное и параллельное соединение. Применение
- Капельница Кельвина. Устройство и работа. Особенности
- Эффект Джозефсона. Работа и применение. Особенности