Leiden burka — pirmais kondensators: definīcija, darbība un vēsture
Leiden burka (vai Leidenes burka) ir ierīce statiskās elektrības uzkrāšanai. Tā parasti sastāv no stikla kolbas, kuras iekšpusi un/vai ārpusi klāj elektrovadoša kārta (piemēram, metāla folija). Agrīnās burkas iekšpusē reizēm izmantoja arī ūdeni kā iekšējo konduktoru. Leiden burkas galvenais uzdevums ir sakrāt lielu lādiņu un radīt augstu elektrisko potenciālu salīdzinājumā ar apkārtējo vidi.
Darbības princips
Leiden burka ir vienkāršs kondensatora piemērs: tai ir divi elektriski vadīti slāņi (iekšējais un ārējais) un starp tiem izolators — stikls. Kad iekšējais vadītājs tiek savienots ar elektroģeneratoru vai cita veida lādiņu avotu, lādiņš uzkrājas uz iekšējā metāliskā slāņa. Ārējais slānis parasti tiek savienots ar zemi vai vienkārši turēts rokā, tādējādi nodrošinot pretējo lādiņu izvietojumu.
Fizikāli uzkrāto lādiņu Q, spriegumu V un kapacitāti C saista sakarība Q = C · V. Kapacitāte aptuveni atbilst formulai C = ε0·εr·A/d, kur ε0 ir vakuuma dielektriskā konstante, εr — stikla relatīvā dielektriskā konstante, A — pārklājuma laukums, un d — stikla biezums. Uzglabātā elektriskā enerģija E ir E = 1/2 · C · V2 (vai arī E = Q2/(2C)).
Konstrukcija un variācijas
Tipiskā Leiden burka sastāv no šādām daļām:
- Stikla kolba — dielektriskā starpslāņa funkcija; biezāks stikls samazina kapacitāti, bet palielina sprieguma izturību.
- Iekšējais metāla slānis — var būt folija, ūdens vai zemēta elektroda, uz kura uzkrājas lādiņš.
- Ārējais metāla slānis — parasti folija ārpusē, savienojama ar zemi vai rokas vadītāju.
- Caurums ar naglu vai vadu korķī — bieži izmantots kā centrálais elektrods, lai ērti pieslēgtu lādiņa avotu.
Eksperimentāļu gaitā bija arī variantas ar ķēdēm, atvilktnēm un dažādiem ārējiem modeļiem, kas mainīja burkas kapacitāti un praktiskumu demonstrācijām.
Vēsture — izcelsme un nozīmīgākie notikumi
Pirmo ierīci, kas nosauca par elektriskās atmiņas burku, 1745. gada 11. oktobrī izgatavoja dekāns Edvalds fon Kleists. Viņš darbojās Kamminas katedrālē (Pomerānijā) un izmēģināja, vai statisko elektrību iespējams uzglabāt pudelē, zinot, ka stikls ļauj nodalīt lādiņu. Sākotnēji viņam bija tikai mazs berzes ģenerators, taču eksperimenti parādīja, ka pati kolba var uzkrāt ievērojamu lādiņu — īpaši, ja tās ārpuse ir elektrovadītspējīga un savienota ar zemi.
Fon Kleista apraksti nonāca pie citiem zinātniekiem; viena kopija tika nosūtīta viņa bijušajam universitātes kolēģim Andreasam Cunaeusam un vēlāk pie Pītera van Musschenbroeka, Leidenas universitātes fizikas profesora. Musschenbroek publicēja savus aprakstus un demonstrācijas, un tā ierīce kļuva pazīstama kā Leiden burka. Tādējādi ierīcei atvasinājums nāk no Leidenas vārdā saistītajām publikācijām un demonstrācijām.
Daudzu gadu garumā Leiden burka bija galvenais instruments elektrības uzkrāšanai laboratorijās un demonstrācijās. Tā izmantošana turpinājās līdz ķīmiskās baterijas un vēlāk — līdz modernāku elektroķīmisku un elektrostatisku ierīču (mūsdienu kondensatoru un citu enerģijas avotu) attīstībai.
Eksperimentāla nozīme un drošība
Leiden burkas demonstrācijas bieži izmantoja, lai parādītu lādiņa uzkrāšanos un pēkšņu izlādi. Vēsturiskajā stāstā minēts, ka fon Kleists reiz saņēma spēcīgu triecienu, kad pieskārās naglai, jo viņa ķermenis savienoja iekšējo un ārējo lādiņu — tie bija pretējās zīmes un izlāde notika caur viņa ķermeni. Šādas demonstrācijas var būt bīstamas: izlādes var radīt smagus elektrošokus, liesmas vai bojājumus jutīgai aparatūrai.
Drošības ieteikumi:
- Vienmēr pirms manipulācijām pārliecinieties, ka ierīce ir atslēgta un izlādēta uz zemi ar izolētu vadu.
- Neveiciet eksperimentus vienatnē; izmantojiet izolētas rokas vai instrumentus.
- Nepieskarieties nagiem vai vadiem, kas var savienot iekšējo un ārējo slāni, ja vien neesat sagatavojis drošu izlādes ceļu.
No Leiden burkas līdz mūsdienu kondensatoriem
Leiden burka bija pirmais praktiskais kondensators — ierīce, kas spēj uzkrāt elektrisko lādiņu. Mūsdienu kondensatoros tiek izmantoti dažādi dielektri un konstrukcijas (keramiskie, elektrolītiskie, plēves kondensatori, superkondensatori u. c.), taču pamatprincipi — divi vadītāji, starp kuriem atrodas dielektrisks slānis — paliek nemainīgi. Leiden burkas nozīme ir vēsturiska un pedagģiska: tā parādīja, ka elektrība var tikt saglabāta un koncentrēta, un deva pamatu tālākajām pētniecībām elektrotehnikā.
Leiden burka kā demonstrācijas ierīce joprojām tiek izmantota fizikas vēstures eksponātos un dažos izglītojošos eksperimentos, taču praktiskai enerģijas uzglabāšanai to ir aizstājuši efektīvāki un drošāki mūsdienu kondensatori un baterijas.
Agrīna ar ūdeni pildīta Leiden burka
Vēlāk izplatītāks veids, kurā izmantota metāla folija, 1919. g.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir Leiden burka?
A: Leiden burka (vai Leiden burka) ir ierīce statiskās elektrības uzkrāšanai. Tā ir liela stikla pudele, kas parasti gan no iekšpuses, gan ārpuses ir apvilkta ar kādu metāla foliju. Dažās agrīnajās baterijās iekšpusē bija ūdens, kas ļāva eksperimentētājiem savākt lielu lādiņu daudzumu. Tās tiek uzskatītas par pirmo elektroenerģijas uzglabāšanas veidu.
J: Kurš izgudroja pirmo elektrisko uzglabāšanas burku?
A: Pirmo elektriskās uzglabāšanas burku 1745. gada 11. oktobrī izgatavoja Evalds Georgs fon Kleists. Tajā laikā viņš bija Kamminas katedrāles dekāns Pomerānijā, Vācijas ziemeļu piekrastē.
J: Kā fon Kleists radīja savu izgudrojumu?
A: Von Kleists izmantoja nelielu eksperimentālu kristāla ģeneratoru un domāja, ka viņš var uztvert un noturēt nelielu daudzumu statiskās elektrības pudelē, jo zināja, ka elektrība cauri stiklam neiziet. Viņš tūkstošiem reižu nenovērtēja, cik daudz elektrības pudele patiesībā varētu saturēt.
J: Kāda īpašā iezīme ļauj elektrībai turpināt ieplūst Leidena burkā?
A: Elektrības īpatnības ļauj tai turpināt ieplūst pudelē ar nosacījumu, ka pudelē ir ar zemi savienota vadoša virsma, kas neitralizē spiedienu, ko rada lādiņš, mēģinot izplūst atpakaļ. Fon Kleista gadījumā šī elektrovadošā virsma bija tikai viņa roka, taču ar to pietika, lai viņu pārtrauktu elektriskā strāva, kad viņš nejauši pieskārās naglai, kas tika iedzīta korķī, un tas viņu pārmeta pāri telpai.
J: Kurš nosauca šo izgudrojumu par "Leiden burku"?
A: Pīters van Mušenbriks (Pieter van Musschenbroek), kurš tolaik bija Leidenas Universitātes galvenais fizikas profesors, atklāja, ka tās uzglabāšanas spēja ievērojami uzlabojas, ja to vienkārši tur rokā, un nosūtīja vēstules franču zinātniekiem par šo atklājumu, no kā arī radās nosaukums "Leidenas burka".
J. Cik ilgi šis izgudrojums bija galvenais elektroenerģijas uzglabāšanas līdzeklis?
A: Leiden burka bija galvenais elektroenerģijas uzglabāšanas līdzeklis līdz pat ķīmisko bateriju un moderno ģeneratoru izgudrošanai daudzus gadus vēlāk.
