Leydeni purk (Leideni purk) — staatilise elektri esimene kondensaator
Leydeni (Leideni) purk — esimene kondensaator: lugu staatilise elektri avastamisest, šokeerivatest katsetest ja hoidmisest, mis muutis elektrienergia uurimise ajalugu.
Leydeni purgi (või Leideni purk) on lihtne seade staatilise elektri säilitamiseks. Tavaliselt on tegemist klaaspudeli või -kolbiga, mis on vooderdatud nii seest- kui ka väljast metallfooliumiga või muude juhtivate pinnakatetega; mõnedes varajastes näidetes kasutati sisemuses isegi vett. Selline konstruktsioon võimaldab eksperimenteerijal koguda ja hoida suures koguses laenguid ning tekitada nähtavaid välgulööke ja sädelemaid.
Konstruktsioon ja tööpõhimõte
Leydeni purk koosneb kolmest põhikomponendist: klaasist dielektrikust (isolatsioonikiht), sisemisest juhtivast kihist (näiteks foolium või vesi) ja välimisest juhtivast kihist. Sisemine juhtiv kiht ühendatakse laengugeneraatoriga või elektroodiga, väline juhtiv kiht aga on tavaliselt maandatud (otseselt või inimese keha kaudu). Klaas toimib dielektrikuna, mis takistab elektronide otsest ülejooksu, kuid salvestab elektrivälja—see tähendab, et purk kogub omadusseenergiat elektriväljas.
Miks käe puudutamine mõjutas säilitamist: kui purki hoida käes või ühendada väline metallkest maaga, neutraliseerib see väliskihil voolata püüdva laengu surve ja suurendab sisemisele kihile säilivat laengumahtu. Varajastes katsetes oli väliseks juhtivaks ühenduseks sageli uurija käsi, mistõttu juhtivuse kaudu tekkis suhe maa-potentsiaaliga.
Ajalooline taust
Esimese teadaoleva elektrilise säilitamispurgi konstrueeris 11. oktoobril 1745 Ewald von Kleist. Ta töötas oma väikeses katselaboris, kasutades hõõrde- ehk triboelektrilist generaatorit, ja avastas, et pudel suudab koguda märkimisväärse laengu. Von Kleist saatis leiust krüpteeritud kirjelduse mõnele kaaslasele; üks koopia jõudis tema endise ülikoolikaaslase Andreas Cunaeuse kaudu Leydeni ülikooli professor Pieter van Musschenbroeki kätte, kes avastas leiuga iseseisvalt sarnase efekti. Musschenbroekile omistati leiule sageli tunnustus ja tema kirjad Prantsusmaa teadlastele aitasid seadmel levida ning anda sellele nime "Leydeni purk".
Mõlemad leiutised—von Kleisti ja Musschenbroeki omad—panid aluse esimestele praktikutele kondensaatori ideest. Purgi toimimisest sai selgeks, et klaasdielectric ja vastandlikult laetud sisemine ning välimine kiht võimaldavad elektrienergiat ajutiselt salvestada.
Esimesed katsed ja ohud
Algsetel katsetel said nii von Kleist kui ka teised uurijad valusaid šokke; von Kleist kirjeldas seda lööki kui nii tugevat, et ta visati toa teise otsa. See juhtus seetõttu, et puudutades naela või elektroodi tegi ta voolava ühenduse sisemise ja välise laengu vahel, mis olid vastandlike märkidega, ning kogu kogunenud laeng voolas läbi tema keha. Suurte purkide või mitme purgi järjest ühendamisel võivad elektrilöögid olla väga ohtlikud—pigem valusad ja šokeerivad, mõnikord ka eluohtlikud.
Tähtsus ja pärand
Leydeni purk oli aastaid peamine elektrienergia ajutise ladustamise vahend ning mängis olulist rolli 18. sajandi elektrofüüsika ja elektriakadeemiliste demonstratsioonide arengus. Seejärel hakkasid elektri salvestamise ja generaatorite tehnoloogiad arenema edasi; tänapäeval tuntakse samu põhimõtteid seadmetena nimega kondensaatorid või kondensaatorid, mis on kompaktsed, mitmekesised ja oluliselt efektiivsemad kui varajased Leydeni purgid. Kaasaegsed kondensaatorid on igapäevases elektroonikas hädavajalikud komponendid, samas kui keemilised akud annavad lihtsalt teistsuguse (ja sageli pikaajalisema) energia salvestamise lahenduse.
Kasutus tänapäeval ja hariduslik väärtus
Tänapäeval ei kasutata Leydeni purke praktiliste energiavarude jaoks, kuid need on jätkuvalt väärtuslikud ajaloolistes demonstratsioonides ja hariduslikes eksperimentides, sest purk selgitab lihtsasti kondensaatori põhimõtet: kaks vastandlikult laetud juhtivat pinda eraldatud dielektrikuga. Kooli- ja populariseerivate katsete puhul tuleks aga alati järgida ohutusnõudeid ja kasutada sobivaid maandus- ning kaitsevahendeid.
Ohutusnõuanded
- Ava või puuduta kunagi laetud purki ilma nõuetekohase maanduseta.
- Ära ühenda mitu purki sarja ega proovi luua väga suuri laengukoguseid ilma kogenud juhendamiseta.
- Tuntud hüppeliinide ja piksekaitsetsüklite simuleerimiseks sobivad paremini kaasaegsed, spetsiaalselt selleks mõeldud kondensaatorid ja generaatorid.
Kokkuvõttes on Leydeni purk oluline samm elektri teadusajalukku: lihtne, kuid võimas seade, mis näitas, et elektrit on võimalik koguda ja ajutiselt säilitada, ning mis sillutas teed tänapäevastele kondensaatoritele ja laiemale elektritehnika arengule.
Varajane veega täidetud Leydeni purgi
Hiljem levinum metallfooliumi kasutav tüüp, 1919
Küsimused ja vastused
K: Mis on Leydeni purgi?
A: Leydeni purgi (või Leideni purgi) on seade staatilise elektri säilitamiseks. See on suur klaaspudel, mis on tavaliselt nii seest- kui ka väljastpoolt vooderdatud mingi metallfooliumiga. Mõne varaseimasse oli sees vesi, mis võimaldas katsetajatel koguda suure hulga laenguid. Neid peetakse esimeseks elektrisalvesti vormiks.
Küsimus: Kes leiutas esimese elektrilise salvestuspurgi?
V: Esimese elektrisalvesti lõi Ewald Georg von Kleist 11. oktoobril 1745. aastal. Ta oli tollal Saksamaa põhjarannikul Pommeri maakonnas asuva Cammini katedraali dekaan.
K: Kuidas von Kleist oma leiutist lõi?
V: Von Kleist kasutas väikest eksperimentaalset hõõrdegeneraatorit ja arvas, et ta võiks olla võimeline püüdma ja hoidma väikest kogust staatilist elektrit pudelis, sest ta teadis, et elekter ei saa läbida klaasi. Ta alahindas tuhandeid kordi, kui palju elektrit see tegelikult suudab hoida.
K: Milline omapära võimaldab elektril jätkata voolamist Leydeni purgis?
V: Elektri eripära võimaldab elektrienergial jätkata voolamist pudelisse tingimusel, et seal on maaga ühendatud elektrit juhtiv pind, mis neutraliseerib välja voolata püüdva laengu surve. Von Kleisti puhul oli see elektrit juhtiv pind lihtsalt tema käsi, kuid sellest piisas, et ta sai sellise elektrilöögi, kui ta kogemata puudutas läbi korgi löödud naela, et see viskas ta üle toa.
K: Kes andis sellele leiutisele nime "Leydeni purgi"?
V: Pieter van Musschenbroek, kes oli tollal Leydeni ülikooli peamine füüsikaprofessor, töötas välja, et selle mahutavus paraneb tohutult ainult siis, kui seda käes hoida, ja saatis selle avastuse kohta kirjad teadlastele Prantsusmaale, mis andis sellele nimeks "Leydeni purgi".
Küsimus: Kui kaua jäi see leiutis peamiseks elektrisalvestuse vahendiks?
V: Leydeni purgi jäi peamiseks elektrivarustuse vahendiks kuni keemiliste patareide ja tänapäevaste generaatorite leiutamiseni palju aastaid hiljem.
Otsige