Лейденская банка представляет собой: Лейденская банка — это… Что такое Лейденская банка?

Лейденская банка: формула, история, конструкция

Лейденская банка – прибор, запасающий электрический заряд.

Математическое выражение емкости

Находятся люди, ненавидящие исторические экскурсы, веселые анекдоты, приведенные ниже, подробное изложение. Посещают интернет, выуживая формулу электроемкости лейденской банки, хотят немедленно видеть. Пожалуйста:

C = q/U, q – накапливаемый лейденской банкой заряд, U – разница потенциалов между выводами. Иное выражение позволяет выразить электроемкость конденсатора площадью обкладок, расстоянием меж ними:

электроемкость конденсатора повышается ростом площади, уменьшением зазора. ε – диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками, ε(0) – электрическая постоянная, равная 8,85 пФ/м.

По указанным причинам наибольшей электроемкостью обладают электролитические конденсаторы оксидного типа. Обкладки расположены впритык.

Из истории

Двигатель прогресса

Большинство великих изобретателей увлекались историей естествознания. Тесла заинтересовался электричеством, когда увидел искры с шерсти обыкновенного кота. В давние времена далеко не каждый имел образование. Георг Ом имел несчастье родиться в бедной семье, облагодетельствованный отцом, читал книги по математики, получил наставника. Задача, которая в 20-е годы XIX многим показалась непосильной, решена с получением закона Ома для участка цепи.

Банка

После Второй мировой страны добились невероятного развития. Россия, к сожалению, в число не входит. Несомненный успех найден, где ранее ученые умы закладывали фундамент. Достаточно посмотреть ВВП сверхдержав:

1. Первое место взяло США. Дикая земля с завидным постоянством служила пристанищем ученых. Промышленники постоянно думали, как заработать. Эдисон известен, побежден Николой Тесла, обманутым воротилой чуть раньше. Большая часть бытовой техники запатентована, придумана США. Миксеры, блендеры, кофеварки. Карол Поллак на конденсатор взял патент США.
2. КНР занимает почетное второе место. Аналитики предрекают сверхдержаве большое будущее. Другим – не нравится Китай, постоянно копирующий чужую технику. Иосиф Сталин занимался выпуском автомобилей СССР, избегая оплачивать копейки по патентам иностранных фирм. По производству конденсаторов Китай наверняка догнал тройку лидеров.
3. Третье место занимает Япония, ставка сделана на политику Большого рывка. До Второй мировой войны феодальная держава, последующие сорок пять лет Страна восходящего солнца последовательно занималась инновациями в наукоемкие отрасли. Изобретения пришли с островов, в силу недостаточности межнационального общения лишены должной мировой известности.
4. Четвертое, пятое, шестое места занимают Германия, Великобритания, Франция. Непрерывно ссорящиеся в прошлом державы переняли манеру ученых кругов, постоянно обменивающихся опытом, идеями. Предпринимались продолжительные поездки (вспомнив Дэви и Фарадея). Начало электролитических конденсаторов заложено Германией, первенство оспаривается Нидерландами (18 место).

Вывод напрашивается: научное достояние важнее сиюминутной выгоды. Достаточно придумать новый конденсатор, придумать способы использования, взять патент, немедленно начнете зарабатывать. Господь благословил Америку, утверждают жители США неофициальным гимном. Стоял позади, выступал щитом, как обещано Ветхим Заветом. Изобретатели волей провидения приносили прибыль.

Лейденская банка

Отбрасывая слухи, первым изобретателем лейденской банки, считается Эвальд фон Клейст. Явление накопления заряда обнаружили на примере бутылки из-под вина. Фон Клейст опустил в ртуть провод электростатического генератора, придерживая конденсатор. После разрыва с источником оказалось: торчащий кончик бьется током. Гораздо сильнее электростатической машины. Эффект оценивался нервной системой естествоиспытателя.

Сделан правильный вывод: заряд удаётся запасать электроемкостью, механизм остался тайной. Предполагалось, что дело в стекле (Бенджамин Франклин). Накапливает заряд. Реально провод с ртутью служили одной обкладкой образованного конденсатора. Отсутствовали инструменты оценить электроемкость прибора. На момент середины XVIII века существовал электроскоп, говорилось: заряд присутствует, доводилось делать предположение о знаке (фон Герике обнаружил: наэлектризованный шарик, притянутый человеческим носом, после соприкосновения начинает отталкиваться).

Оказалось, алкоголь проводит электрический ток. Вставив в пробку железный гвоздь, запечатав, фон Клейст наслаждался ударами запасенного тока от электроемкости конденсатора. Постепенно конструкция стала больше напоминать нынешнюю. В колбу термометра опускался провод со свинцовым шаром на конце. Емкость заполнялась водой. Отсутствовала важная деталь – вторая обкладка. Электричество могло храниться несколько часов, вызывать на демонстрациях легкие всполохи, окружающих впечатляло.

Об электрическом токе не было известно ровным счетом ничего, могло помочь проверить наличие заряда щадящими методами. Фон Клейст касался контакта пальцем, когда уставал терпеть, брал рукой кусочек золотой пластинки. Описываемые события заканчиваются октябрем 1745 года, месяцем спустя фон Клейст докладывает о своих достижениях двум другим ученым:

1. В Берлин доктору Либеркуну.
2. В Галле доктору Крюгеру.

Доказывая окружающим состоятельность работ, фон Клейст заставлял «целоваться» с конденсатором, утверждая: редкий мазохист захочет продолжения вечеринки. От излишнего усердия терщика колбы иногда разбивались. Войска конденсаторов несли потери, Бенджамин Франклин ввел термин батарея. Настолько сильным оказался шок заряда, запасенного электростатическим генератором! Фон Клейст временами втихомолку удивлялся, если конденсатор рукой не придерживать, разряд отсутствует: отсутствовало понятие электрической цепи. Предметы отказывались электризоваться контактом, фон Клейст решил: человеческое тело определенно относится к работе конденсатора.

Мушенбрук

Следует напомнить: закон об охоте за ведьмами недавно отменен, Бенджамин Франклин мог спокойно охотиться за молниями воздушным змеем, эстафету немецкого ученого перенял некто Питер ван Мушенбрук. Исторические источники говорят: муж науки изобрел лейденскую банку (конденсатор) совершенно независимо от фон Клейста. Видимо, мысль заполняла эфир, человек просто подхватил, как иные подхватывают простуду. Результат был более впечатляющим, нежели выздоровление.

В Лейденском Университете поныне опыты фон Клейста замалчивают. Лавры отданы Мушенбруку, дата открытия конденсатора с задокументированной демонстрации января 1746 года переносится на таинственный день 1745. Передавая честь изобретения, Мушенбрук таинственно молчал, уподобляясь рыбе…

Ученый Питер ван Мушенбрук

В начале 1746 года уведомлен Рене Антуан Реомюр. Нельзя сказать, чтобы деятель науки занимал видный пост, но 40 лет освещал присутствием круги, мог оценить значимость изобретения конденсатора. Главное, Реомюр знал лично священника, члена Академии наук (Франции) Жана-Антуана Нолле, большого энтузиаста, весельчака. Предполагают, последний хотел измерить на монахах, руководствуясь лейденской банкой скорость движения электрического тока. Задуманное провалилось: 700 человек заорали одновременно. Мгновенно уверовали в науку, существование электроемкости конденсатора. 180 королевских мушкетеров не смогли ответить железной стойкостью, подвергнувшись экзекуции – уверовал Людовик XV. Кадры решают все – в отличие от фон Клейста, ван Мушенбрука Нолле нашел немедленное признание, конденсатор обрел известность.

Однако! Ван Мушенбруку повезло больше предшественника. Многие утверждают: первый удар током получил студент на январской демонстрации, сама постановка вопроса намекает: ученый знал последствия разряда электроемкости конденсатора, хитро улыбаясь, наблюдал учащихся. Иные источники говорят: открытие было сделано ранее. В лаборатории Мушенбрук пытался получить искры, заручившись помощью дула ружья: видимо, быстро понял, как обращаться со стеклянным шаром статического электрогенератора, чтобы остаться в живых. Получилось волей случая, на столе покоилась банка, заполненная водой, к стволу зачем-то привязан медный провод, опускаемый внутрь сосуда.

Искра почему-то отсутствовала. Мушенбрук, задумавшись, одной рукой опер стол, коснувшись банки, другой взялся за ствол, закоротив цепь разряда электроемкости конденсатора. Мгновенно понял истинное предназначение – недаром говорят: незаряженное ружье раз в жизни стреляет. Нужно было стать фокусником или факиром! Шутка ли, сотворить с обычным охотничьим ружьем. Отдача вышла весьма сильная, ощущение – будто попала молния. Ученый пришел к открытию. Сумел обнаружить: цепь легко замыкалась через металлическую столешницу. Объяснить явление не смог.

Конструкция лейденской банки

Лейденская банка стала напоминать закрутки. Заменили винную бутылку. Поверх плотно накручивали металлическую крышку, входящую в электрод. Банки стали объединять батареями (показано рисунком), ставили в ящик. Мушенбрук заметил: без присмотра прибор быстро теряет заряд.

Лейденские банки Маркони

Лейденские банки использовала техника по простой причине. Давали сильный сигнал, позволяющий функционировать телеграфу. Зарядить прибор можно было вручную, неплохая альтернатива. Определение покажется странным, раньше приборами телеграфной связи оборудовали корабли. Моряки избегают шуток. Представленное изображение демонстрирует продукцию фирмы Маркони, оборудование стояло на затонувшем Титанике.

После лейденской банки

Устройства использовались свыше полутораста лет с большим успехом. При помощи лейденской банки построен первый колебательный контур. Поскольку везде использовался постоянный ток, потребности изобретать не было. Довольствовались гальваническими элементами, лейденскими банками. Позже появились аккумуляторы, разновидность электрохимического источника тока.

Забавно, серьезные предпосылки появления первых конденсаторов в сегодняшнем виде создал опять-таки Никола Тесла. Много написано о сербе, не перечесть заслуг. Ученый начал для моделирования устройств использовать колебательные цепи. Знаменитая башня Вондерклифф – резонансный электрический контур впечатляющих размеров.

В конце XIX века стали появляться на свет конденсаторы различного толка.

Лейденская банка — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Лейденская банка

Cтраница 1

Лейденская банка представляет собой накопитель, в котором внутренняя обкладка из оловянной фольги отделена от внешней обкладки стеклом, из которого сделана банка.  [1]

Лейденская банка, подключенная к электрической машине, могла накапливать и долго сохранять значительное количество электричества.  [3]

Лейденская банка имеет следующие размеры: наружный диаметр дна 15 см; высота обкладок 20 см; толщина стекла 2 мм.  [4]

Одна лейденская банка ( Ct 600 пФ) заряжена до напряжения Ul 3000 В, другая банка ( С2 800 пФ) — до напряжения U2 — 4000 В.  [5]

Емкость лейденской банки зависит от площади противоположных обкладок, от расстояния между ними и от природы вещества, разделяющего обкладки, но не зависит от природы самих металлических поверхностей.  [6]

Стекло лейденской банки может удерживать заряд только тогда, когда оно холодное. При некоторой температуре ниже 100 С стекло становится проводником.  [7]

Создание лейденской банки приписывается независимо друг от друга экспериментатору по имени Кунеус, монаху Клейсту и лейденскому профессору Мушенброку. Согласно [1895], автором этого устройства был профессор Мушенброк.  [9]

Емкость лейденской банки средних размеров составляет около 1 / 1000 мкф.  [11]

Итак, лейденская банка стала первым накопителем электричества, но источника, который бы давал электрический ток непрерывно, пока не было.  [12]

С помощью лейденских банок, потенциал которых был предварительно измерен электрометром, он заряжал полусферы, соединенные с шаром, и тотчас же вытаскивал соединяющую проволочку с помощью шелковой нити, разводил и разряжал полусферы и проверял электрическое состояние шара с помощью шарового электрометра.  [13]

В случае лейденской банки, внутреннее покрытие которой заряжено положительно, на любом участке стекла внутренняя сторона будет заряжена положительно, а внешняя — отрицательно. Если этот участок находится целиком внутри стекла, то его поверхностный заряд нейтрализуется благодаря противоположному заряду прилегающих к нему частей, но если он прилегает к проводящему телу, внутри которого невозможно индуктивное состояние, то поверхностный заряд не нейтрализуется, а образует тот кажущийся заряд, который обычно называют Зарядом Проводника.  [14]

Принцип действия

лейденской банки впервые был объяснен на основании унитарной теории электричества, созданной американским ученым В.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

Вопрос Что вы знаете о Лейденской банке? 7F55

Вопрос 7. Что вы знаете о Лейденской банке? 7F55 Лейденская банка — первый электрический конденсатор, изобретённый голландскими учёными Мушенбреком и его учеником Кюнеусом в 1745 в Лейдене. Параллельно и независимо от них сходный аппарат, под названием «медицинская банка» изобрёл немецкий учёный Клейст. Лейденская банка представляла собой закупоренную наполненную водой стеклянную банку, оклеенную внутри и снаружи фольгой. Сквозь крышку в банку был, воткнут металлический стержень. Лейденская банка позволяла накапливать и хранить сравнительно большие заряды, порядка микрокулона. Изобретение лейденской банки стимулировало изучение электричества, в частности скорости его распространения и электропроводящих свойств некоторых материалов. Выяснилось, что металлы и вода, лучшие проводники электричества. Благодаря Лейденской банке удалось впервые искусственным путем получить электрическую искру. Очень много материала нашел каждый из нас по данному вопросу. Интересной оказалась история создания этой банки. Простейшим конденсатором является лейденская банка. Это старинный прибор. Название его происходит от голландского города Лейдена, где впервые стали изготовлять такие конденсаторы еще в середине XVIII века. Лейденскую банку нетрудно сделать самому. Для этого можно использовать стеклянную банку. Стенки банки с внешней и внутренней поверхности на 2/3 высоты оклейте фольгой. Они будут служить обкладками конденсатора. Работать нужно аккуратно, чтобы не образовалось складок на фольге. Затем возьмите полиэтиленовую крышку, вставьте в середину ее металлический стержень длиной 8—10 см. На верхний конец стержня насадите стальной шарик (или деревянный, оклеенный фольгой). Из фольги сделайте метелочку и укрепите ее на нижнем конце стержня. Длина метелочки должна быть такой, чтобы при закрытой крышке она касалась внутренней поверхности банки. Закройте банку крышкой — и прибор готов. Чтобы «наполнить» такой конденсатор электрическими зарядами, заряжайте металлический круг электрофора и прикасайтесь его краем к шарику лейденской банки. При этом на внутренней обкладки будут скапливаться положительные заряды, а на внешней — отрицательные. ИСТОРИЯ ЛЕЙДЕНСКОЙ БАНКИ В середине ХУШ столетия экспериментальные исследования новой, неведомой электрической силы перемещаются во Францию. В Париже в ту пору жил католический священник по имени Жан Антуан Нолле (1700 — 1770). Принадлежал он к ордену иезуитов, был хорошо образован, начитан и увлекался физикой. Аббат Нолле — именно под таким именем вошел он в историю науки — являлся профессором физики, читал лекции в разных аудиториях, сопровождая их эффектными опытами, не пропускал заседаний Парижской академии, был знаком и переписывался буквально со всеми более или менее известными естествоиспытателями. В конце тридцатых годов аббат Нолле часто бывал в доме директора Парижского ботанического сада Шарля Франсуа Дюфе, члена Парижской Академии, человека страстно увлеченного опытами с электрической материей. Он добывал таинственную силу, натирая стеклянную трубку суконной тряпочкой, и накапливал электричество в различных изолированных телах. Однажды, когда Нолле посетил своего друга, тот показал ему петли из шелковых шнурков, свисавшие с потолочной балки в его лаборатории. Однако это не смущало экспериментатора. Он залез в петли и расположился в них так, чтобы ни рукавом, ни полой камзола не коснуться пола. Затем предложил Нолле с помощью той же стеклянной трубки зарядить его электричеством. И когда после этого он захотел взять в руку небольшую стеклянную палочку, которую ему протянул аббат, из пальцев Дюфе выскочила вдруг большая голубая искра, которая с явно расслышанным треском кольнула обоих исследователей. Можно понять тот ужас, с которым позже аббат Нолле рассказывал об этом всему Парижу. В том же году Дюфе опубликовал подробное сообщение об изучении электрических искр и голубоватого свечения, которое окружало электризуемые тела. «Возможно, — писал он,— что в конце концов удался найти средство для получения электричества в больших масштабах и, следовательно, усилить мощь электрического огня, который во многих из этих опытов представляется (если можно сопоставлять нечто маленькое с чем-то очень большим) как бы одной природы с громом и молнией». И это было едва ли не первым в истории науки опубликованным высказыванием об электрической природе молнии. Начиная примерно с середины XVIII века опыты с электричеством, получаемым от трения, стали любимыми развлечениями образованных людей. Изумительные и совершенно непонятные свойства электризуемых тел не только притягивать к себе пушинки и соломинки, но и светиться, рождать искры, сопровождаемые треском, который отдаленно напоминал гром, — все это приводило людей в подлинный восторг. Но как научиться добывать большие порции электричества? После Герике и Гауксби электрические машины, основанные на добывании чудесной силы путем трения, долгое время оставались слабосильными установками. Им еще предстояло пройти длинный путь развития, прежде чем они стали настоящими физическими приборами, пригодными для научной деятельности ученых. И исследователи электричества наверняка бы еще долгое время топтались на месте, если бы не одно слу- чайное изобретение. Речь идет о так называемой лейденской банке. Шел XVIII век. Соборный настоятель небольшого померанского городка, некто Эвальд Георг фон Клейст, потихоньку от прихожан занимался электрическими опытами. Не то чтобы он боялся преследований. Нет, слава богу, в XVIII столетии ученых уже не обвиняли в колдовстве и не жгли на кострах. И не потому, разумеется, что отцы церкви стали более мягкосердечны- ми. Время изменилось, изменилось и общественное мнение. Теперь многие представители монашеских орденов занимались наукой, да и пастыри божьи….Но вводить стадо господне во искушение не стоило. И потому пастор фон Клейст результатов своих исследований не публиковал и за эксперименты принимался лишь после ухода экономки, тщательно занавесив окна. Электрическая машина, отца настоятеля была чрезвычайно слабой. И искры, которые он извлекал из нее, никакого впечатления при свете не производили. Тут поневоле задумаешься: а нельзя ли накопить эту силу? Однажды, в счастливые часы занятий электрическими исследованиями, фон Клейст решил попробовать зарядить электричеством гвоздь. Ну а почему бы нет? Скорее всего, именно этот предмет попался ему под руку. Он вставил железный стержень в бутылочку из-под микстуры — отца настоятеля мучил кашель — и поднес к кондуктору машины. Несколько оборотов стеклянного шара, и электричество должно было родиться и перейти на гвоздь. Далее его следовало вынуть из бутылочки. Клейст взялся за головку гвоздя и тут же получил весьма ощутимый электрический удар. Но откуда? Его машина неспособна была давать и десятой доли таких зарядов. Он решил повторить опыт. Ах, эта немецкая дотошность! Отец настоятель записывал мельчайшие подробности каждого опыта. Еще и еще… Каждый раз накопившаяся сила исправно и довольно чувствительно щелкает настоятеля собора по пальцу. А что будет, если налить в склянку спирт или ртуть? Удары усиливаются! Некоторое время спустя, убедившись, что он, священник из города Каммина, открыл тщетно отыскиваемый способ накапливания электричества, Эвальд Георг фон Клейст описал результат своих опытов и послал письмо в Данциг тамошнему протодиакону. Отец протодиакон физикой не увлекался, но был хорошо знаком с бургомистром Даниелем Гралатом — организатором общества естествоиспытателей в Данциге. Общество жаждало деятельности, и потому новинка фон Клейста пришлась как нельзя более кстати. Бургомистр Гралат начал с того, что взял бутыль большего размера с большим гвоздем и научился заря- жать эту систему, используя в качестве обкладки вместо собственной руки фольгу. Это было тоже открытием. Потом он составил из бутылей с электричеством батарею и… бедные члены общества! Именно они первыми испытывали на себе результат увлечений своего председателя. …Строго говоря, как ученый, Питер ван Мушенбрук не был звездой первой величины. Но в Лейденском университете были прекрасная физическая лаборатория, давние традиции и слава серьезного учебного заведения. Лучи этой славы привлекали учеников, которые давали доход профессору Мушенбруку. Тем более что герр профессор умел красно и значительно говорить, надувал щеки и тряс париком, рассказывая о своих несравненных опытах… Умение подать себя и в науке дело не последнее. Двести же с лишним лет назад находилось немало простаков, называвших ловкого интерпретатора не иначе, как «великий Мушенбрук». Однажды некий Кунеус, сын богатого лейденского горожанина, желавший поразвлечься, решил наполнить электрической материей банку с водой. По воззрениям того времени — мысль вовсе не такая уж и абсурдная. Вода — жидкость, и электрическая материя обладает свойствами жидкости. Кунеус налил в банку воду, взял в руку и опустил туда металлический стержень, соединенный с кондуктором электрической машины, затем стал крутить ручку. Некоторое время спустя он решил стержень вынуть… Кунеус рассказывал позже, что, коснувшись стержня, испытал ни с чем не сравнимое потрясение. Отдадим должное профессору Мушенбруку, который тут же решил проверить открытие ученика на себе. Сильный электрический удар поверг его в большое изумление. «Испытать его еще раз я не согласился бы даже ради французской короны», — именно так заявил он, рассказывая об эффекте. Одним из первых о лейденском эксперименте узнал аббат Нолле. Именно о лейденском, а не об изобретении зарядной банки в стране «грубых тевтонцев». Нолле не только усовершенствовал лейденскую банку, он составил из нескольких целую батарею и получил сильные, стреляющие искры. В Версале в присутствии короля и придворных Нолле выстраивает 180 мушкетеров кольцом. Велит им взяться за руки, а крайним предлагает прикоснуться к электродам лейденской банки, заряженной от электрической машины. «Было очень курьезно видеть„— пишет очевидец,— разнообразие жестов и слышать вскрик, исторгаемый неожиданностью у большей части получающих удар». А король веселился… Еще больший интерес появился в его глазах, когда почтенный аббат поставил рядом с невинной банкой клетку с беззаботно порхающим воробьем. Вот подсоединены контакты. Банка заряжена. Наступил момент, когда птичка слишком близко приблизилась к предательским контактам. Проскочила голубая искра, раздался треск, и несчастная пичуга упала на пол клетки бездыханной. — Бpaвo! — сказал Людовик XV и поднялся с кресла. — Браво! — повторили придворные, спеша уйти вместе с королем от этого ученого служителя бога, только что продемонстрировавшего им, что электричество может не только развлекать… Благодаря популяризаторской деятельности Нолле опыты со столь простым и доступным прибором, как лейденская банка, получили широкое распространение. Их повторяли в аристократических салонах и в ярмарочных балаганах. Голубыми искрами, извлеченными из пальцев наэлектризованного добровольца, поджигали спирт и порох, убивали мышей и цыплят. В одном из парижских монастырей 700 благочестивых братьев во Христе, взявшись за руки, образовали живую цепь. И все, как один, высоко подпрыгнули и возопили от страха, когда крайние монахи разрядили через себя батарею невзрачных банок, наполненных таинственной электрической жидкостью. Опыты повторяли в Англии и Италии, в России и Германии. В газетах писали о чудесных исцелениях паралича благодаря электрическим ударам… Достарыңызбен бөлісу:

В поисках «энергетической капсулы». Раритетные издания. Наука и техника

Нурбей Гулиа

Электрическая «капсула»

Глава третья, в которой автор еще раз убеждается во всесилии электричества, равно как в том, что от исполнения своей мечты он пока далек…

Как накопить электроны?

Да, тепловые накопители если и не завели меня в дебри, то ощутимо отклонили путь моих поисков. Чуть было даже не забрел в гости к «демону Максвелла», а уйти от него, говорят, гораздо труднее, чем познакомиться с ним. Но с этим уже все. Торжественно пообещав себе больше не увлекаться, я принялся за изучение других накопителей из моего списка. Теперь очередь дошла до устройств, накапливающих электрическую энергию. И в начале перечня таких устройств у меня значился конденсатор.

Я уже говорил раньше, что электрическая машина преобразует механическую энергию в энергию электрического заряда, а он накапливается в конденсаторе – лейденской банке. Это один из самых первых типов конденсаторов, получивший свое название от голландского города Лейдена, где в середине XVIII века он был построен.

Лейденскую банку можно увидеть в любом школьном физическом кабинете. Она представляет собой обыкновенный тонкостенный стеклянный цилиндр, оклеенный изнутри и снаружи фольгой. Внутренняя обкладка соединена с металлическим стержнем, оканчивающимся шариком. Если при зарядке лейденской банки мы подключим шарик к отрицательному полюсу электрической машины, на внутреннюю обкладку добавится некоторое количество избыточных электронов; тогда с наружной обкладки, подключенной к положительному полюсу машины или к «земле», соответствующее количество электронов будет удалено. Таким образом на обкладках конденсатора окажутся равные по величине, но противоположные по знаку заряды – прибор заряжен.

Разряжать лейденскую банку можно только с помощью специального разрядника, изолированного от рукоятки, за которую его держат. Попытки разрядить лейденскую банку руками нередко заканчивались гибелью экспериментатора. Правда, это бывало давно, когда люди еще не знали об опасности этого опыта.

Но если лейденская банка столь опасна, значит, в ней заключено много энергии! Не та ли это «капсула», что я ищу?

Поскольку лейденской банки под рукой не оказалось, я взял первый попавшийся конденсатор, из тех, которые остались после ремонта телевизора, и сунул его выводы в штепсель. Пробежала искра. Я отнял прибор от штепселя, но тут вдруг припомнил чьи-то слова: «Переменным током конденсатора не зарядишь». Разочарованный, я прикоснулся пальцами к выводам конденсатора, дабы убедиться в справедливости этих слов, и… По искрам, которые посыпались у меня из глаз, я понял, что мои конденсатор далеко от лейденской банки не ушел. Стал вспоминать, кто же это меня обманул, однако так и не вспомнил. Решил все же не испытывать больше судьбу и сначала почитать что-нибудь о конденсаторах, а уж потом заниматься экспериментами.

Раньше, в XVII…XVIII веках, электричество представляли себе как некую невесомую «электрическую жидкость», которая может «вливаться» в проводник. Отсюда по величине заряда – количеству этой «электрической жидкости» стали определять емкость конденсатора, как какой-нибудь фляги или бутыли. Ученые давно заметили, что чем обширнее площадь обкладок и чем меньше расстояние, зазор между ними, тем больше емкость конденсатора. Однако делать зазор слишком малым нельзя – при высоком напряжении, приложенном к конденсатору, может наступить «пробой» зазора искрой. В лучшем случае конденсатор потеряет свой заряд, а в худшем – разрушится, причем не исключено, что со взрывом. Сантиметровый слой воздуха, например, пробивается при напряжении 30 000 вольт. Понижать же напряжение невыгодно. Ведь в конечном итоге нас интересует не просто емкость конденсатора, а его энергоемкость, равная произведению заряда на напряжение. Поэтому уменьшение зазора между обкладками – это не путь к повышению энергоемкости. Выход один – увеличивать площадь обкладок.

И еще очень интересное свойство конденсатора открылось ученым. Если помещать между его обкладками различные непроводящие материалы – диэлектрики, емкость конденсатора может резко изменяться. Эту способность диэлектриков изменять емкость конденсатора назвали диэлектрической проницаемостью. Было установлено: чем больше величина диэлектрической проницаемости, тем больше при прочих равных условиях емкость конденсатора, обкладки которого разделены диэлектриком.

Диэлектрическая проницаемость равна в вакууме единице. Очень близка к этому значению диэлектрическая проницаемость воздуха, поэтому воздушные конденсаторы имеют очень малую емкость. Если идти в сторону увеличения диэлектрической проницаемости, то ее значение для парафина – 2, для фарфора, стекла – до 7, а для воды необычно много – 81. То есть с помощью воды можно получить конденсатор, в 81 раз более емкий, чем воздушный.

Однако при подсчете плотности энергии обычных конденсаторов, например, электролитических, которые так широко распространены в радиотехнике, выясняется, что она очень низка, не выше, чем у обычных стальных пружин.

За единицу емкости конденсаторов принята фарада. Это очень крупная единица, такую емкость мог бы иметь, например, шар, диаметр которого равен 18 миллионам километров, то есть в полторы тысячи раз более крупный, нежели наша Земля! Разумеется, емкость существующих конденсаторов значительно меньше, и поэтому ее измеряют в миллионных долях фарады – микрофарадах или в единицах, еще в миллион раз меньших, – пикофарадах.

Если взвесить самый заурядный электролитический конденсатор емкостью 10 микрофарад при напряжении 300 вольт, то масса его окажется несколько десятков граммов. А энергии в этом конденсаторе будет менее половины джоуля. Стало быть, плотность энергии составит около 10 джоулей на килограмм массы. Хорошие конденсаторы могут накопить энергии раз в десять больше, но и это очень немного.

Чтобы резко повысить емкость конденсаторов, приходится прибегать ко всяким ухищрениям. И надо сказать, в последнее время ученые здесь преуспели. В Японии, например, несколько лет назад был изготовлен конденсатор из… активного угля!

Известно, что активный уголь, приготовляемый кипячением Древесного угля в воде, имеет огромную поверхность в единице объема. Такую поверхность образуют поры, из которых водой были вымыты соли. Благодаря этому активный уголь отлично поглощает запахи, яды, различные газы. Им заполняют противогазы, его принимают при отравлениях, используют во многих других случаях. Именно поверхность активного угля и заинтересовала японских ученых.

Уголь пропитывают раствором солей щелочных металлов – натрия, калия, лития – в органическом растворителе, и происходит чудо – емкость одного кубического сантиметра такого конденсатора возрастает до десяти и более фарад! Иначе говоря, до емкости шара в пустоте, имеющего диаметр в 15 тысяч раз больше диаметра Земли, больше чем расстояние от Земли до Солнца! Но в отношении энергии это почти ничего не дало – конденсатор из активного угля выдерживает лишь очень низкое напряжение. Плотность энергии этого конденсатора составила примерно 1 килоджоуль на килограмм, что гораздо выше, чем у обычных конденсаторов, но все-таки крайне мало.

Венгерские ученые пошли по другому пути. Они создали особые пластмассы, обладающие необычайно высокими диэлектрической проницаемостью и пробойным напряжением. Кроме того, они выяснили, что самая высокая в природе диэлектрическая проницаемость – 130000 единиц! – у дезоксирибонуклеиновой кислоты, той самой ДНК, которая несет генетическую информацию. Если обычный конденсатор емкостью 10 микрофарад заполнить в качестве электролита ДНК, то при напряжении 300 вольт плотность его энергии будет порядка 20…200 килоджоулей на килограмм. Этот показатель лучше, чем таковой у газовых аккумуляторов.

Тут мне пришло в голову, что если объединить открытия японских и венгерских ученых, то есть пропитать активный уголь дезоксирибонуклеиновой кислотой, удельная энергия конденсатора, судя по всему, выросла бы еще раз в сто. Тогда масса «энергетической капсулы», необходимой автомобилю для прохождения ста километров, могла бы быть не более одного-двух килограммов!

Да, заманчиво, конечно, все это осуществить, но… Где достать столько ДНК? Как пропитать ДНК активный уголь? Насколько дорог будет такой конденсатор, если его все же удастся получить? Какова будет сила взрыва, если произойдет внезапный пробой?

Я затруднялся найти ответ на первые вопросы, однако ответ на последний отчетливо представлял себе. Дело в том, что однажды я был страшно перепуган оглушительным взрывом телевизионного конденсатора, энергия которого была в десятки тысяч раз меньше…

И еще меня огорчало одно обстоятельство. «Перестраховщики» ученые, зная почти все про конденсаторы, определили теоретический предел плотности его энергии в 3,6 килоджоуля на килограмм. А это в тысячи раз ниже плотности энергии, вычисленной мной. Кто-то из нас очень ошибался в своих прогнозах, и я, кажется, догадывался, кто…

«Капсулу» – в жидкий гелий

Нет, не получилось из конденсатора «энергетической капсулы». Ну ничего, ведь электричество можно накопить не только в виде неподвижного, статического заряда – при движении электронов по проводу обмотки электромагнита оно тоже накапливается.

Мне очень хорошо запомнился школьный опыт по физике, где мы подключали к батарее лампочку параллельно с электромагнитом. Лампочка загоралась не сразу, медленно раскалялся ее волосок, но при отключении батареи лампочка, вместо того чтобы погаснуть, вспыхивала еще ярче. Какая же энергия, если не накопленная в электромагните, раскаляла волосок лампочки в то время, как питание от батареи больше не поступало? И накапливалась эта энергия в магнитном поле тогда, когда, несмотря на то, что энергия отбиралась от батареи, лампочка горела тускло. Ей явно не хватало мощности батареи – львиная доля мощности шла на насыщение энергией электромагнита.

Итак, очередной аккумулятор, может быть, даже кандидат на «энергетическую капсулу». Проверим, на что способен электромагнит как накопитель.

Я попробовал «подпитывать» электромагнит током от аккумуляторных батарей, постепенно увеличивая их число. Соответственно повышалось напряжение на клеммах электромагнита, увеличивался ток, а следовательно, росла и подъемная сила электромагнита. В его магнитном поле накапливалась все большая и большая энергия. Так, наверное, продолжалось бы и дальше, но… от электромагнита вдруг пошел дым – он перегрелся от чрезмерного тока. Опыт пришлось прекратить. Вот, значит, где предел энергоемкости электромагнита!

Оказалось, что и со сроком хранения энергии плоховато – держится накопленная энергия в электромагните, или, как говорят, в катушке индуктивности, доли секунды. Из-за сопротивления в проводнике – проволоке, намотанной на сердечник электромагнита, вся накопленная в его магнитном поле энергия быстро переходит в тепло. А нельзя ли устранить это сопротивление?

Мне не хотелось идти в библиотеку, однако я пересилил себя. Зато потом в читальном зале я просидел до самого закрытия и нашел не только ответ на свой вопрос, но и множество других полезных для меня сведений.

Еще в 1911 году голландский физик Камерлинг-Оннес обнаружил, что столбик ртути, охлажденный до температуры, превышающей абсолютный нуль на 4,2 градуса, полностью теряет свое электрическое сопротивление. Причем резко, скачком. Так же, как и ртуть, теряли сопротивление свинец, алюминий, олово, цинк и ряд других металлов. Явление это было названо сверхпроводимостью. В кольце из такого сверхпроводника ток мог «крутиться» сколько угодно времени, сохраняя энергию магнитного поля. Беда лишь в том, что даже при небольшом возрастании тока или внешних магнитных полей перечисленные металлы утрачивали свойство сверхпроводимости.

В течение полувека эти сверхпроводники, названные сверхпроводниками первого рода, практического применения не имели. Но в 1961 году советские ученые предсказали возможность создания более совершенных сверхпроводников второго рода, а американские специалисты испытали такой сверхпроводник – проволоку из сплава металла ниобия с оловом, а затем ниобия с титаном. Через проволоку пропускали громадные токи, вокруг нее создавали гигантские магнитные поля, и ничего ей не делалось, свойство сверхпроводимости оставалось.

В кольце из сверхпроводника второго рода можно запасать и хранить без потерь очень большую энергию, примерно в 7 раз больше, чем в такой же по объему конденсаторной батарее. Конечно, кольцо это держат не при комнатной температуре, его помещают в специальный термос для хранения холодных жидкостей – криостат. В криостат заливают жидкий гелий при температурах, близких к абсолютному нулю. Чтобы жидкий гелий испарялся не слишком сильно, его окружают так называемым азотным экраном. Азотный экран – это слой жидкого азота поверх сосуда с жидким гелием. Испаряясь, жидкий азот уменьшает испарение более холодного и дорогого гелия.

Одна из первых моделей такого накопителя была испытана в 1970 году. В сверхпроводящем «электромагните» – соленоиде была накоплена энергия в 10 килоджоулей. Плотность энергии накопителя составила около 40 килоджоулей на килограмм массы.

До какого же предела можно «накачивать» энергию в сверхпроводящий магнит? Оказывается, этот предел диктует не что иное, как… механическая прочность.

Вот уж чего я не ожидал! Коварство сверхпроводящего кольца с током заключается в том, что магнитное поле, развиваемое им, воздействует прежде всего на само кольцо. Как в электромоторе магнитное поле, действуя на обмотки, вращает вал, так и в сверхпроводящем кольце магнитные силы пытаются разорвать его. А поскольку магнитные поля и токи здесь громадны, то силы, разрывающие кольцо, очень велики. Сплавы же ниобия, из которых изготовлена проволока для кольца, увы, совсем не прочны. Куда им до стальных или синтетических материалов! Эта недостаточная механическая прочность и является досадной причиной, сдерживающей «накачку» сверхпроводника током, а значит, и получение высокой плотности энергии.

Ученые в своих проектах отдают предпочтение гигантским сверхпроводящим накопителям. И у них есть на то веские основания. Известно, что площадь тела пропорциональна квадрату его размеров, объем – кубу. С увеличением размеров увеличивается отношение объема к площади поверхности. Для сверхпроводящих накопителей это имеет немаловажное значение. От объема криостата зависит величина обмотки накопителя и, следовательно, количество запасаемой энергии, а от площади – интенсивность испарения содержащихся в нем жидких холодных газов – гелия, азота. Чем больше объем и меньше поверхность криостата, тем экономичнее накопитель.

Сверхпроводящий накопитель требует значительного числа вспомогательных устройств, обслуживающих его во время работы. Это и холодильные установки, и системы обеспечения энергией для управления, выпрямительные станции, преобразователи и многое, многое другое. Конечно, все это окупается лишь в очень крупном накопителе.

Японские ученые подсчитали, например, что сверхпроводящие накопители становятся выгодными при запасе энергии в них свыше миллиона мегаджоулей. Масса такого накопителя достигла бы десятков тысяч тонн. А пока самые крупные сверхпроводящие накопители в СССР способны запасти только сотни мегаджоулей, причем обмотки у них весят сотни тонн. Чуть больше подобные накопители за рубежом.

Какими же видятся ученым сверхпроводящие накопители будущего?

В одном из проектов французских специалистов это гигантский криостат-бублик диаметром 136 метров и высотой свыше 20 метров. Сечение обмотки диаметром 17 метров. Криостат заполнен жидким гелием, предусмотрен и азотный экран. Кольцо из сверхпроводника заключено в медные или алюминиевые оболочки и усилено прочными бандажами. В обмотке течет ток в 140 килоампер, а плотность тока достигает огромной величины – 3 килоампера на квадратный миллиметр сечения обмотки! В таком гиганте может аккумулироваться до 10 миллионов мегаджоулей энергии.

Чтобы было ясно, насколько это много, напомню, что всего 25 мегаджоулей нужно автомобилю для прохождения пути в 100 километров. Если даже пробег автомобиля увеличить до 400 километров, что примерно равно дневному пробегу такси, то энергии накопителя хватит для питания ста тысяч такси в день! Эта энергия, накопленная ночью, позволила бы устранить дневные перегрузки всех электростанций такой большой страны, как Франция.

Немецкие ученые спроектировали накопитель диаметром 250 метров и высотой 50…70 метров. Криостат с жидким гелием и помещенной в него обмоткой из титан-ниобиевого сплава намечено упрятать под землю. Под стать размерам и предполагаемая энергия накопителя. В своем проекте немецкие ученые применили интересное новшество – огромные нагрузки, действующие на обмотку, они попытались частично «переложить» на грунт, в который зарыт накопитель. Специальные распорки должны будут «упираться» в корпус криостата, а он в свою очередь в породы, окружающие его.

Проекты эти, конечно, впечатляют, кажутся чуть ли не фантастикой. И если вдуматься, они не так далеки от нее. Слишком много здесь всяких узких мест.

Взять хотя бы поддержание сверхнизких температур в криостатах, масса которых миллионы тонн, а объем – десятки миллионов кубометров. Где достать столько жидкого гелия? Чем покрыть расход его на непрерывное испарение? Кроме того, очень сложны выводы тока из накопителей – они ведь тоже должны быть сверхпроводниками, то есть находиться при температурах, близких к абсолютному нулю, а это трудно выполнить. Зарядка и разрядка таких накопителей производится только постоянным током, а промышленности нужен ток переменный.

Но это еще ничего, дальше совсем плохо. Чтобы корпус накопителя равномерно упирался в грунт, надо распорки проложить внутри криостата, в жидком гелии. Однако тогда сильно возрастет приток тепла в криостат, что вызовет дополнительное испарение жидкого гелия! Огромные магнитные поля, возникающие вокруг гигантских сверхпроводящих обмоток, могут оказать опасное воздействие на живую природу и человека. Природа «привыкла» к действию весьма слабых полей земного магнетизма и даже на их изменение реагирует чутко. А тут вдруг в жизнь природы «вмешаются» магнитные поля в миллионы раз сильнее!

И наконец, представим, что случится, если сверхпроводник вдруг разорвется или потеряет свойство сверхпроводимости. А это не исключено. Достаточно чуть-чуть подняться температуре жидкого гелия, и вся колоссальная энергия накопителя выделится почти мгновенно. Спасут ли положение специально предусмотренные медные обмотки, по которым должен пойти ток в случае аварии, неизвестно.

Возможно, специалисты найдут решение перечисленных проблем, тогда такие накопители начнут строить к XXI веку. Разумеется, при условии, что не будет создана «энергетическая капсула» получше – простая, емкая, надежная. И которую, конечно, можно будет поставить на автомобиль! Ведь сверхпроводящие гиганты совершенно не пригодны в качестве двигателя автомобиля.

Плюс химия

Теперь мне стало ясно, что конструкторы автомобилей были тысячу раз правы, используя на них обычные электроаккумуляторы, а не конденсаторы или сверхпроводящие магниты.

Действительно, автомобильные аккумуляторы могут месяцами хранить энергию, причем в достаточно большом количестве. Я сам видел, как иногда автомобили «гоняют на стартере»: включают стартер, питаемый от аккумуляторов, вроде бы для заводки двигателя, но привода на колеса при этом не отключают, как положено по инструкции, – и машина катит по улице. А ведь энергия аккумулятора здесь расходуется не только на движение автомобиля, но и на прокрутку двигателя. Не будь этой прокрутки, автомобиль смог бы пройти «на стартере» больше километра – настолько велика емкость аккумуляторов. Похоже, известные всем нам автомобильные электроаккумуляторы пока ближе всего к «энергетической капсуле».

Позвольте, но так ли уж они известны? Однажды ко мне пришел знакомый мальчик лет шести и в разговоре сказал, что знает, как устроен телевизор. На мой вопрос, может ли он нарисовать его схему, мальчик ответил утвердительно. Однако удивление мое быстро прошло, когда вместо схемы он изобразил переднюю панель телевизора. «Это экран, это ручка громкости, это яркость…» – перечислял он.

Вот так же и я представлял себе электроаккумулятор – пластмассовый ящик с клеммами, внутри которого находятся пластины и кислота, часто называемая «аккумуляторной». Что происходит внутри аккумулятора, каким образом он накапливает энергию, – все это было мне невдомек.

Оказалось, что я не одинок в своем неведении. Никто из водителей, которых я расспрашивал о принципе работы аккумулятора, не дал вразумительного ответа. Мне говорили: он накапливает энергию потому, что к клеммам подсоединяется генератор или выпрямитель, которые и подают в аккумулятор ток. После этого уже сам аккумулятор становится источником тока до тех пор, пока не разрядится. Вроде бы понятно. А почему таким свойством обладает именно аккумулятор, а не кирпич, например? Да потому, дескать, что он так устроен.

Этих сведений мне было явно недостаточно. Пришлось в который раз засесть за книги.

История электроаккумуляторов берет начало со знаменитого опыта, проделанного итальянским физиком Алессандро Вольтой в 1799 году. Ученый опустил медный и цинковый электроды в разбавленную серную кислоту и обнаружил, что между электродами возникла разность потенциалов. Соединив электроды проводником – проволочкой, Вольта получил в ней электрический ток. Тем самым он доказал, что различные металлы, помещенные в растворы кислот, образуют источник тока.

Это был первый в мире гальванический элемент, названный так потом в честь итальянского физика и врача Луиджи Гальвани, который еще до Вольты заметил появление тока при взаимодействии двух разных металлов в проводящей жидкости – электролите.

Правда, есть сведения, что гальванические элементы существовали и в древности. Во время археологических раскопок были найдены глиняные кувшины с напоминающими электроды цилиндрами из разных металлов, причем некоторые ученые считают, что электролитом тогда служили вино или уксус. И будто бы с помощью этих элементов древние мастера умели делать гальванические покрытия: например, наносили тончайшую пленку золота на украшения.

Так или иначе, огромная заслуга Вольты в том, что он не только построил гальванический элемент, но и объяснил его действие, чего по вполне понятным причинам не могли сделать древние.

Элемент Вольты давал очень маленькое напряжение. Чтобы повысить его, стали изготавливать батареи из медных и цинковых пластин, переложенных прокладками, смоченными серной кислотой. Батареи эти, названные вольтовыми столбами, обеспечивали уже достаточно большое напряжение. После Вольты немало ученых – Лекланше, Грене, Даниэль, Грове и другие – разрабатывали свои, все более и более совершенные гальванические элементы. Элемент Лекланше, например, послужил прообразом современных «сухих» батарей, используемых для питания карманных фонариков, радиоприемников, электрифицированных игрушек и прочих устройств. Электроды таких батарей, как когда-то у Лекланше, твердые – цинковый стаканчик и графитовый стержень. А вот электролит уже не жидкий. Ведь жидкость может в любой момент пролиться, а делать элемент герметичным дорого и сложно. Вот и заменили жидкость желеобразным электролитом. Получился удобный и практичный источник электричества.

Если через разряженную сухую батарею особыми импульсами пропустить ток, ее можно вновь «оживить». Эту операцию порой проделывают по несколько раз. Однако уча ненадолго восстанавливает элемент.

Постойте, постойте… Как бы там ни было, получается, что гальванический элемент – тот же аккумулятор! Заряжая его электрическим током, восстанавливая, мы накапливаем в нем электроэнергию, которую затем расходуем. Так ли это?

Оказывается, и так и нет. Прежде всего, не каждый гальванический элемент можно подзарядить. Нельзя это сделать, например, с элементом, в котором присутствуют два электролита. Таков элемент Даниэля, где две разные жидкости разделены пористым стаканчиком. Постепенно просачиваясь через стаканчик, электролиты смешиваются, реагируют друг с другом и выделяют ток. Этот элемент, если он уже отработал свой срок, не восстановишь.

Другие элементы с твердыми электродами в принципе подзаряжаются, накапливают энергию. Но процесс накопления так неэкономичен и неэффективен, что многие считают его излишним. Накапливается только ничтожная часть поданной на элемент электроэнергии, а сам элемент после нескольких таких зарядок разрушается. Чтобы стать хорошим накопителем, гальванический элемент должен достаточно хорошо «переносить» процесс зарядки. И этого наконец удалось добиться в середине прошлого века.

В 1859 году французский ученый и инженер Гастон Плантэ провел любопытный опыт, внешне очень похожий на опыт Вольты. Как и Вольта, Плантэ построил гальванический элемент, однако в качестве электродов он взял две свинцовые пластины, в обычных условиях покрытые пленкой окиси свинца. Электролит был все тот же – разбавленная серная кислота. Плантэ подключил к электродам источник постоянного тока и некоторое время пропускал ток через свой элемент, совсем как при подзарядке сухих элементов. Потом он отключил ток и подключил к электродам гальванометр. Прибор показал, что элемент Плантэ стал сам вырабатывать электроток и при этом выделяет почти всю энергию, затраченную на зарядку. Зарядку можно было повторять большое число раз – элемент неизменно работал исправно, не разрушался, подобно сухим батареям.

Этот гальванический элемент назвали элементом второго рода, или аккумулятором.

Как же происходит накопление энергии в аккумуляторе Плантэ? При пропускании тока через электролит из серной кислоты на свинцовой пластине, соединенной с отрицательным полюсом источника тока – катодом, выделяется водород, который восстанавливает окись свинца в чистый свинец. На электроде, соединенном с положительным полюсом – анодом, выделяется кислород, который окисляет окись свинца до перекиси. Аккумулятор зарядится, когда катод целиком станет чистым свинцом, а анод – перекисью свинца. Тогда между электродами окажется наибольшее напряжение.

Соединяя пластины-электроды проводником с потребителем, расходуя энергию, мы разряжаем аккумулятор. Направление тока при разрядке противоположно тому, что было при зарядке. Положительно заряженная пластина будет восстанавливаться водородом, а отрицательная – окисляться кислородом. Как только пластины станут одинаковыми, аккумулятор прекратит давать ток. Надо повторить зарядку.

Ясно, что энергия в этом аккумуляторе накапливается не в виде электрического или магнитного поля, как в предыдущих накопителях электрической энергии, а в виде вполне осязаемого вещества – свинца, переходящего с выделением энергии в перекись свинца. Сам процесс накопления и выделения энергии здесь происходит иначе, чем в чисто электрических аккумуляторах – конденсаторах и электромагнитах. Поэтому такой аккумулятор принято называть электрохимическим.

В конструкциях автомобильных свинцово-кислотных аккумуляторов ученые постарались как можно больше увеличить поверхность электродов, не нарушая при этом их прочности. Ведь именно от величины поверхности зависит энергоемкость аккумулятора. Сейчас пластины аккумулятора изготовляются в форме свинцовых решеток, покрытых перекисью свинца (положительный электрод) и губчатым свинцом (отрицательный электрод). Электролитом служит 25…35-процентный водный раствор серной кислоты. Заряженный автомобильный аккумулятор имеет напряжение на клеммах 2…2,2 вольта. При разрядке это напряжение падает, и когда оно достигает 1,8 вольта, разрядку обычно прекращают, иначе решетка из свинца может слишком истончиться в ходе реакции и пластины, потеряв прочность, рассыплются.

Мне очень хотелось узнать, что будет с аккумулятором, если попробовать хотя бы кратковременно получить от него ток большой мощности. Однажды я упросил одного знакомого водителя включить стартер, питаемый, как известно, от аккумулятора, при не включенном двигателе. Двигатель, естественно, не завелся, а секунд через 15…20 стартер начал сбавлять обороты. Еще через некоторое время он вообще остановился. Было полное впечатление, что аккумулятор разрядился и больше из него «выжать» ничего нельзя. Я думал, водитель рассердится, скажет, мол, видишь, к чему привели твои опыты. Но он неторопливо выключил стартер, а потом, спустя 2…3 минуты, снова включил его. Стартер заработал! Откуда взялись «силы» у аккумулятора? Не мог же он, как живое существо, «отдохнуть»?

В самом деле, поведение аккумулятора и живого организма здесь поразительно похоже. При усталости мышц от интенсивной работы их сила резко снижается, и нужно время, чтобы она восстановилась. Человек сделает гораздо больше, если он будет работать поравномернее, с постоянной, но небольшой по мощности нагрузкой. Например, если попытаться бегом взбежать на 20-й этаж дома, с одного раза это вряд ли получится, потребуется отдых. Да и усталость после этого будет ощущаться немалая. А если идти спокойно, то 20 этажей можно преодолеть без особой усталости.

Так и в аккумуляторе: при включении его на большую мощность серная кислота, которая была в порах пластин, быстро израсходуется, в результате реакции она превратится в воду, и выделение тока прекратится. Только через некоторое время, когда серная кислота постепенно вновь заполнит поры, можно опять разряжать аккумулятор.

Поэтому разряжают и заряжают аккумуляторы – это касается практически всех видов электрохимических аккумуляторов – обычно с достаточно малой нагрузкой, небольшими токами и продолжительное время – несколько часов. Здесь и кроется один из главнейших недостатков электрохимических аккумуляторов – их малая мощность, приходящаяся на килограмм массы аккумулятора, так называемая удельная мощность или плотность мощности.

Свинцово-кислотные аккумуляторы весьма экономичны, однако они и капризны, часто портятся, недолговечны. К тому же свинец – сравнительно редкий и дорогой металл, а кислота – опасна в обращении. Естественно, что ученые стали искать новые материалы и новые принципы работы аккумуляторов. Так возник второй основной тип электрохимических аккумуляторов – щелочные аккумуляторы. Создание их тесно связано с именем знаменитого американского ученого и изобретателя Томаса Эдисона.

В этих аккумуляторах электролитом служит уже не кислота, а щелочь – 20-процентный раствор едкого кали. Пластины изготовлены из стальных решеток с карманами в них. У положительных пластин карманы заполнены смесью, содержащей окись никеля, а у отрицательных – губчатым кадмием. Корпус щелочного аккумулятора стальной, что придает устройству большую прочность.

Щелочные аккумуляторы дороже кислотных и менее экономичны. Но, несмотря на это, положительные их качества преобладают – они неприхотливы, прочны, долговечны. Поэтому они все больше входят в технику. Например, на троллейбусах применяются именно такие накопители. Их можно видеть в транзисторных приемниках, телефонных и слуховых аппаратах, карманных фонариках и в других устройствах. Во многих радиоприборах присутствуют миниатюрные аккумуляторы, тоже щелочные, под названием «кнопочные», так как они внешне напоминают кнопку. Ценность их в том, что они герметично закрыты, совершенно нечувствительны к перезаряду и переразряду, не требуют ухода. Обычные крупные аккумуляторы этим «похвастать» не могут.

На некоторых спутниках связи и космических станциях применяются очень дорогие, но зато великолепные по своим характеристикам серебряно-цинковые щелочные аккумуляторы. Им нипочем ни большие токи, ни низкие, до минус 60 градусов, температуры. Плотность энергии, накапливаемой в них, в пять раз выше, чем у кислотных аккумуляторов, а плотность мощности – вдвое выше.

Всем хороши серебряно-цинковые аккумуляторы, хоть сейчас ставь их на автомобиль. Масса аккумулятора для прохождения стокилометрового пути не превысит ста килограммов…

Но, увы, стоимость этого аккумулятора будет во много раз выше стоимости самого автомобиля. И надежд на его удешевление никаких – серебра на Земле становится все меньше и меньше, и дорожает оно на мировом рынке все больше и больше. Не лишне сказать, что подобная участь ждет в недалеком будущем многие металлы, в том числе столь необходимый для аккумуляторов свинец. Чтобы аккумулятор мог стать поистине массовым и перспективным, он должен содержать материалы, которых на Земле вдоволь.

Сейчас ученые связывают свои надежды с необычным на первый взгляд аккумулятором, в котором используются гальванические пары «сера – натрий» и «хлор – литий». Металлы – натрий или литий – там расплавлены, их температура достигает нескольких сот градусов. Расплавленный натрий соединяется в аккумуляторе с горячей жидкой серой, а литий взаимодействует с раскаленным газом – хлором. Из-за того, что содержимое таких аккумуляторов при работе нагрето до 300…800 градусов, они получили название горячих.

Мне происходящее внутри горячих аккумуляторов почему-то сразу напомнило мифологический ад, о котором я в детстве немало начитался. Достаточно было представить расплавленную серу, в которой «варится» расплавленный же натрий, тот самый натрий, что и от воды-то загорается и даже взрывается! О хлоре и говорить нечего – это один из наиболее ядовитых газов, чрезвычайно активный даже при комнатной температуре, а что будет при восьмистах градусах! Недаром ученые который уж год бьются над созданием корпуса к этому «адскому» накопителю – мало какой материал выдерживает такую начинку.

Однако к чести горячих аккумуляторов, они при низкой своей стоимости развивают плотность энергии раз в десять большую, чем свинцово-кислотные аккумуляторы, и плотность мощности у них значительно выше. Если свинцово-кислотные аккумуляторы накапливают в килограмме своей массы 64 килоджоуля энергии, а щелочные – 110, то горячие серно-натриевые – 400…700 килоджоулей!

Автомобилю для пробега в 100 километров хватило бы всего 50 килограммов серно-натриевого аккумулятора. 150 килограммов на 300 километров пробега – это неплохие результаты. Но… горячие аккумуляторы перед началом работы надо разогревать, оболочка их не выдерживает долго «адское» содержимое. Да и при аварии машины с этим аккумулятором присутствовать даже зрителем никому не пожелаешь.

Более спокойный «характер» у новых, медно-литиевых аккумуляторов. Они имеют катод из медного сплава и анод из пористого лития. Электролит органический, с высокой электропроводностью. Плотность энергии в опытных образцах этих аккумуляторов в полтора раза выше, чем у серебряно-цинковых, но, что самое важное, у них возможно получение высоких удельных мощностей. Если же вместо меди взять фтористое соединение никеля, то и процесс зарядки аккумулятора можно сильно сократить, всего до нескольких минут, что также очень существенно.

Интересны аккумуляторы на основе цинка и… обыкновенного воздуха. Цинковый анод здесь просто окисляется кислородом воздуха, поэтому весь запас энергии в батарее обусловлен только количеством цинка. Катод изготовлен из пористого никеля и почти не расходуется, а анод по мере износа заменяется новым или восстанавливается пропусканием зарядного тока.

Своеобразие этих батарей заключается в том, что они могут работать как в режиме аккумуляторов, так и в режиме обычных гальванических элементов, попросту «сжигая» цинк в кислороде воздуха. Именно в этом случае цинковые аноды приходится заменять, но плотность энергии элемента при этом получается почти вдвое большей, чем у аккумулятора.

Однако как ни хороши описанные выше аккумуляторы-рекордсмены, специалисты все-таки считают, что проблему создания современного электромобиля с дальностью пробега 120…150 километров должны решить не они, а дешевые и недефицитные никель-цинковые аккумуляторы. По плотности энергии и мощности такие аккумуляторы находятся между обычными и серебряно-цинковыми аккумуляторами. Возникли они в результате замены у серебряно-цинковых элементов дорогого серебра на сравнительно дешевый никель.

Тем не менее будущее, хотя и отдаленное, все же за горячими аккумуляторами, несмотря на все трудности и неудобства, связанные с их постройкой. Их разработкой занимаются сейчас самые солидные фирмы и институты, в том числе и у нас в стране. Успехи же весьма скромны – создать конструкцию такого накопителя для серийного производства ученым до сих пор не удалось. Из лабораторий горячий аккумулятор пока не вышел. Вряд ли мне будет под силу тягаться в этом с целыми научными коллективами.

Особенно смутило меня то обстоятельство, что теоретический предел у электрохимических аккумуляторов уже близок. По расчетам ученых, основной показатель аккумулятора – плотность энергии здесь можно повысить по сравнению с уже достигнутыми результатами максимум раза в 3…4. Безусловно, маловато получается для «капсулы». Кроме того, как я хорошо знал, подойти вплотную к теоретическому пределу невероятно сложно. Вспомнить хотя бы, сколь трудным оказалось подобраться к абсолютному нулю температуры, к полному вакууму, к совершенно чистым материалам. Подобных примеров можно привести множество из самых разных областей человеческой деятельности.

Поэтому, отдавая должное всесилию электричества и бесспорным преимуществам электроаккумуляторов, я все-таки мечтал найти такой накопитель, теоретический предел которого если не бесконечен, то хотя бы отодвинут достаточно далеко. Лишь тогда можно будет всерьез говорить об «энергетической капсуле».

Электромобили

Прежде чем расстаться с электроаккумуляторами, я решил испытать их на электромобиле. Все прочитанное мною про электромобиль было настолько противоречиво, что мне захотелось непременно составить о них собственное мнение.

На электромобили иногда смотрят как на какую-нибудь новинку. А ведь они были созданы задолго до первого автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Как только в 30-х годах прошлого столетия появился первый электродвигатель, его сразу же поставили на экипаж. Питался этот двигатель от батареи гальванических элементов.

Автором первого в мире электромобиля был англичанин Роберт Дэвидсон. Его машина, построенная в 1837 году, представляла собой четырехколесную коляску длиной 4,8 и шириной 1,8 метра, с метровыми колесами – то есть достаточно крупное сооружение. Большую часть коляски занимали батарея гальванических элементов и пока еще примитивный, внушительных размеров электродвигатель. О ходовых качествах этого электромобиля достоверных сведений не осталось.

В России первый электромобиль сконструировал инженер И. Романов в 1896 году. Машина имела скорость 25 километров в час и запас хода 40 километров. Вскоре тот же Романов построил первые электрические автобусы, на 15 пассажиров каждый. Талантливый инженер мечтал создать в Петербурге широкую сеть электробусных перевозок пассажиров, им был составлен подробный план всех необходимых работ. Однако этому плану не суждено было сбыться.

В самом начале нашего века электромобилей было уже так много, что в американском городе Чикаго, например, их число вдвое превышало число автомобилей! Электромобилисты чувствовали себя тогда весьма уверенно – даже мировые рекорды скорости принадлежали им, а не автомобилистам. Еще в 1898 году этот рекорд был равен 63 километрам в час, а годом позже – 105,9 километра в час. По тем временам это было совсем немало.

Впоследствии, когда стали добывать много дешевого бензина (он поначалу даже считался побочным продуктом перегонки нефти, и его просто сжигали!), автомобили вытеснили своих электрических собратьев. Для подзарядки электромобилей, число которых сильно возросло, уже не хватало мощности электростанций.

Сегодняшний возврат к электромобилям (как и к паромобилям, воздухомобилям и т.п.) вызван отнюдь не тем, что у инженеров появились какие-нибудь принципиально новые идеи, могущие коренным образом улучшить электромобили. Нет, просто стало трудно дышать в крупных городах из-за выхлопных газов двигателей, и к тому же быстро кончаются мировые запасы топлива. Отсюда возникла необходимость спешно найти замену автомобилю с двигателем внутреннего сгорания. Вот и вспомнили про электромобили.

Как я уже сказал, меня удивляла противоречивость сообщений об электромобилях. Например, в одной из публикаций я прочел, что японские инженеры построили электромобиль с дальностью пробега 500 километров, а скорость и разгон у него – ну прямо как у спортивных автомобилей. Спустя какое-то время после этого сообщения американские специалисты решительно заявили, что электромобили пока способны проходить лишь 50…60 километров с одной зарядки, максимальная скорость у них не выше 80 километров в час, а разгон – из рук вон плохой. В гору такой электромобиль вообще не может быстро двигаться. По своим характеристикам это скорее не электромобиль, а электрокар – аккумуляторная тележка, какие ездят по территории заводов.

Чего только не приходилось читать и про зарядку аккумуляторов. Писали, например, что уже созданы электронные установки для зарядки аккумуляторов за считанные минуты и чуть ли не секунды. Но тем не менее до сих пор аккумуляторы еще заряжают в течение многих часов.

Короче говоря, я задумал построить модель электромобиля, чтобы все проверить самому. Признаться, осуществить задуманное оказалось нелегко. Постоянно вставали вопросы: где раздобыть то? Где найти это? Но раз уж взялся за дело, нужно было доводить его до конца.

В своей конструкции я использовал раму от маленького спортивного автомобиля – карта. Задние колеса взял побольше, от мопеда, а передние – от детского самоката. На раму позади сиденья поставил одну аккумуляторную батарею от автомобиля МАЗ (там две такие батареи), которую выпросил на время у знакомого водителя. Масса этой батареи – около 40 килограммов, батарея была совершенно новая и очень емкая.

В качестве тягового двигателя я применил стартерный двигатель от легкового автомобиля. Правда, пришлось двигатель разобрать и заменить в нем шестерню такого же размера стальным цилиндром с накаткой, как у напильников, для большей шероховатости. Впоследствии я убедился, что можно было и не снимать шестерню, а посадить на зубья стальное кольцо с накаткой, залив пространство между зубьями эпоксидным клеем. Такие цилиндры или кольца, передающие движение трением, в технике называются фрикционами.

Стартерный двигатель я установил у одного из задних колес, на качающемся рычаге. Вместе с фрикционом двигатель прижимался к колесу пружиной. С аккумуляторной батареей он был соединен несколькими толстыми проводами так, чтобы к нему можно было подключать различное напряжение: 6, 8, 10 и 12 вольт. Один провод – общий, а другие подключались к клеммам стартера через соответствующие переключатели. Каждому напряжению соответствовал отдельный переключатель. Получилась своеобразная коробка скоростей.

Управление машиной было несложным – руль и переключатели, которые обеспечивали нужную скорость. Тормоза я взял от мопеда. Задние колеса посадил на ось на подшипниках, привод был только на одно колесо. Это давало возможность автомобилю свободно поворачивать вправо и влево. Такие приводы характерны для микромобилей.

Я немало поездил на своем электромобиле. Выбирал и ровные, и наклонные дороги, развивал на некоторых участках скорость до 40 километров в час. Единовременный пробег в разных дорожных условиях составлял около десяти километров, дальше разряжать аккумулятор было ни к чему – он мог испортиться. Соотношение массы аккумулятора и мощности двигателя (стартера) с массой электромобиля (а он весил со мной вместе до 100 килограммов) оказалось примерно таким же, как и у стандартных зарубежных электромобилей. Поэтому мои выводы могли быть применимы для всех этих машин. А выводы были следующие: электромобиль прекрасно идет по ровным дорогам с постоянной скоростью; дальность пробега электромобиля в этих условиях может быть достаточно большой, в расчете, конечно, на емкие аккумуляторы; разгоняется электромобиль очень вяло, медленно набирает скорость. Он не может вписаться в городское движение. У светофора, например, он будет сдерживать всю колонну автомобилей позади себя; в гору электромобиль либо не едет вообще, либо едет очень медленно и очень недолго; аккумуляторы при этом мгновенно «садятся»; торможения и разгоны катастрофически сокращают дальность пробега электромобиля; десяток торможений и разгонов до предельной скорости поглощают всю энергию аккумулятора; зарядка аккумуляторов удручающе длительна.

Я привел свои выводы лишь потому, что они почти полностью согласовались с мнениями специалистов по электромобилям, которые я прочел гораздо позже. Видимо, к тому же пришли и конструкторы электромобилей в начале века – идея электромобиля за это время не претерпела каких-либо существенных изменений. Вот если бы электромобиль смог по резвости соревноваться с обычным автомобилем, тогда ему, как говорится, цены бы не было!

В чем тут дело? Казалось бы, электродвигатель обладает всеми положительными качествами, необходимыми для автомобиля, – способностью переносить перегрузки, удобством управления, экономичностью. Троллейбус, который приводится в движение электромотором, при разгонах оставляет далеко позади себя автобусы с двигателем внутреннего сгорания, перегоняет их при движении на подъемах. Почему же электромобиль отстает от троллейбуса?

Да потому, что троллейбус получает энергию извне, от электросети, а электромобиль – от собственной батареи. А электроаккумуляторы, даже с большой плотностью энергии, обеспечивающей долгий пробег, имеют очень небольшую плотность мощности. Этот показатель у электроаккумуляторов во много раз ниже, чем у автомобильных двигателей.

Например, хороший двигатель массой в сто килограммов может развить до 80…100 киловатт мощности. А аккумуляторная батарея той же массы – не более восьми киловатт! И то при этом она достаточно быстро разрядится. Для того чтобы полностью сравняться с автомобилем, электромобиль должен иметь аккумулятор, основные показатели которого – плотность энергии и мощность – в пять – десять раз выше. Что ж, видимо, этим и придется заняться специалистам.

Водородные генераторы

В романе Жюля Верна «Пять недель на воздушном шаре» и в других его произведениях встречается идея получения энергии путем разложения воды электрическим током на водород и кислород, а затем соединения этих элементов снова в воду. Если бы это производилось с помощью не гальванических элементов, а какого-нибудь менее дорогого источника энергии, то метод вполне подошел бы для решения задачи накопления энергии. Во всяком случае, суть «водородного аккумулирования» именно такова.

Представим себе ветроэлектростанцию, которая вырабатывает энергию только тогда, когда есть ветер. Ветер может дуть всю ночь, но в это время электроэнергия практически не нужна, а днем при максимальной потребности в энергии он вдруг стихает. Ветру не прикажешь дуть или не дуть. Заманчиво, конечно, накапливать энергию ночью в электроаккумуляторах, однако их потребуется слишком много, да и долговечность их невелика.

А что, если попробовать при избытке электроэнергии, например ночью, использовать ее для разложения воды на водород и кислород? Газы можно накапливать в специальных емкостях – газгольдерах, а потом, при прекращении ветра, сжигать в двигателях внутреннего сгорания или в паровых двигателях с целью последующей выработки электроэнергии. Достаточно вал двигателя, работающего на водородно-кислородной смеси, соединить с валом электрогенератора.

В таком примерно виде этот метод был разработан полвека назад известным изобретателем А.Г. Уфимцевым. Но, подсчитав все «за» и «против», сам же А.Г. Уфимцев отказался от своей идеи. Дело в том, что КПД газового двигателя внутреннего сгорания не выше 25 процентов. К тому же на чистом водороде и кислороде ни один из существующих двигателей работать не будет – столь опасная смесь просто взорвет его. КПД паровых двигателей еще ниже. И плюс ко всему – нужно крутить электрогенератор, в котором свои потери энергии. Выходит, что работа целого комплекса сложных машин не принесет нам желаемого результата, отдача энергии здесь будет очень мала.

Может быть, сделать иначе? Получая из воды водород и кислород, мы пропускаем через нее ток по электродам. Вода, подкисленная или подсоленная, является здесь проводником тока, электролитом. Нельзя ли, подавая кислород и водород снова к электродам, получить взамен ток? Вернуть ту электроэнергию, которая была затрачена на разложение воды?

Оказывается, ученые работают над этим давно. Еще в прошлом веке было замечено, что если в горячий раствор едкого кали опустить платиновые электроды и к одному из них медленно подавать водород, а к другому кислород, то на электродах появляется разность потенциалов. Платина играла роль катализатора реакции окисления – восстановления водорода и кислорода. Соединив электроды, ученые получали электрический ток. Ток вначале был невелик, и вся последующая работа над прямым преобразованием энергии топлива в электричество заключалась как раз в увеличении мощности этого процесса.

Ныне существует множество типов установок для преобразования энергии, называемых топливными элементами или, если они работают на водороде, водородными генераторами. Есть высокотемпературные (как горячие аккумуляторы) топливные элементы, а есть работающие и при комнатной температуре. Применяются также элементы с промежуточными температурами: 100…200 градусов по Цельсию. Электролитами могут служить и щелочь и кислота, причем в твердом и жидком виде.

Разнообразно и топливо, которым питаются такие элементы. Это газы – водород и кислород; жидкости – спирт, гидразин; твердые вещества – уголь, металлы. В качестве окислителя используют кислород, воздух, перекись водорода. КПД топливных элементов очень высок, он достигает 70 процентов, что, по меньшей мере, вдвое выше, чем у двигателей.

Как же все-таки работает современный топливный элемент?

В водородно-кислородном элементе водород поступает на поверхность отрицательного электрода, а кислород – на поверхность положительного электрода. Газы эти доставляются к электродам по трубкам. Ионы водорода в процессе реакции окисления – восстановления соединяются с ионами кислорода, образуя обычную воду. Энергия химической реакции передается электродам в виде электрической энергии.

Получаемая в топливном элементе вода удаляется оттуда через особый фитиль. Она настолько чиста, что ее можно использовать для питья и приготовления пищи. Так поступают, например, космонавты в длительном полете – на космических станциях тоже установлены топливные элементы. Это еще одно достоинство прямого преобразования топлива в ток.

Водородно-кислородные топливные элементы, если брать в расчет только массу топлива – водорода и кислорода, имеют громадную плотность энергии – около мегаджоуля на килограмм. Но ведь надо учитывать и массу самого устройства – топливного элемента со вспомогательным оборудованием. А это уже снижает плотность энергии до уровня обычных электроаккумуляторов – топливные элементы очень тяжелы. Лишь после многочасовой работы, когда будет израсходовано значительное количество водорода и кислорода, топливные элементы окажутся легче электрохимических аккумуляторов с тем же запасом накопленной энергии.

Плотность мощности у топливных элементов совсем мала, около 50 ватт на килограмм массы, или втрое меньше, чем у горячих аккумуляторов. Для автомобилей это явно недостаточно.

Накопители энергии, имеющие в основе своей работы принцип водородного аккумулирования, могут появиться в промышленности и на транспорте в лучшем случае к самому концу нашего века.

Очень уж сложна и трудоемка их разработка, слишком дорогими получаются пока составляющие их устройства.

Интересно, что прямое преобразование химической энергии в электроэнергию свойственно и некоторым видам рыб: например, электрическим скатам. Эта рыба, обитающая в теплых морях, переводит энергию, выделяющуюся при переработке пищи, в электроэнергию, совсем как электрохимические генераторы – топливные элементы. Трудно сказать наверняка, но возможно, скат умеет и накапливать ее, как мы, например, отдыхая, накапливаем силы.

Электрические органы ската, расположенные по бокам головы, весят около пуда. По своему строению они поразительно похожи на батарею гальванических элементов. Состоят эти органы из многочисленных пластинок, несущих положительные и отрицательные заряды, причем пластинки расположены столбиками (как бы соединены последовательно), а столбики связаны между собой. Каждый электрический орган покрыт «электроизолирующей» тканью.

Скат способен давать ток силой 8 ампер при напряжении в 300 вольт, то есть развивать мощность почти 2,5 киловатта, что больше трех лошадиных сил. Это завидные показатели для электроаккумуляторов, во всяком случае для тех, которые мы используем при запуске автомобильных двигателей. Подсчитав плотность мощности электрических органов ската, получим свыше 150 ватт на килограмм! Как отмечают многие исследователи, создание аккумулятора с плотностью мощности 100…150 ватт на килограмм открыло бы широкие возможности для применения электрохимических источников тока на транспорте, в частности для привода электромобилей. Сегодняшним аккумуляторным батареям это пока не под силу. Браво, скат!

Но хотя скат и обогнал аккумуляторную технику, не разводить же его специально для накопления энергии. Нет, скат – не «капсула», он и не захочет быть ею, даже если попытаться одомашнить его для целей электроснабжения. Это все, скорее, из области фантастики…

Неразгаданная тайна шаровой молнии

Поиски «энергетической капсулы» заставили меня поближе познакомиться и с таким загадочным 70 явлением природы, как шаровая молния. По правде говоря, никто пока точно не знает, накопитель это или нет. Но я с некоторой долей риска все-таки решил считать шаровую молнию аккумулятором энергии.

Вот кратко те характеристики шаровой молнии, которые составлены на основе большого количества свидетельств очевидцев: энергия, заключенная в молнии, – от 0,1 до 4 кВт·ч; время существования – от нескольких секунд до минут; масса – от 0,5 до 50 г; плотность – от 0,0013 до 0,015 г/см³.

Конечно, у шаровой молнии есть и другие характеристики, например, сила свечения, скорость движения и т.д., но меня прежде всего интересовали ее аккумулирующие возможности.

В общей сложности учеными собрано несколько тысяч описаний шаровой молнии, естественно, отличающихся друг от друга. Однако особенно примечателен так называемый «опыт с бочонком», описанный английским профессором Б. Гудлетом. Никто не планировал этот эксперимент, просто обстоятельства сложились столь удачно, что профессор даже смог достаточно точно подсчитать внутреннюю энергию (энергоемкость) шаровой молнии.

Шаровая молния размером с большой апельсин (10…15 см диаметром) залетела в дом через окно на кухне и оказалась в бочонке с водой. Хозяин дома, присутствовавший при этом и со страхом ожидавший развязки, заметил, что вода в бочонке, недавно принесенная из колодца, кипит. Вскоре вода перестала кипеть, но и 20 минут спустя в нее нельзя было погрузить руку. Шаровая молния, израсходовав свою энергию на кипячение воды, исчезла без взрыва. Похоже, что она в течение нескольких минут находилась под водой, поскольку ее не было видно.

В бочонке помещалось около 16 литров воды, значит, энергия, необходимая для ее кипячения, должна составлять от 1 до 3,5 кВт·ч. В действительности энергия молнии наверняка была еще больше, так как по пути к бочонку молния пережгла телеграфные провода и опалила оконную раму.

Профессор Гудлет определил также плотность энергии молнии. Зная примерный объем шаровой молнии – около 1 литра и взяв средний показатель плотности 0,01 г/см³, он получил массу 10 г. Это типичная для шаровой молнии масса, в пределах 0,5…50 г. Плотность энергии молнии оказалась соответственно 100 кВт·ч, или 360 мегаджоулей на килограмм массы! То есть плотность энергии шаровой молнии в сотни и тысячи раз выше, чем у лучших электрохимических аккумуляторов!

«Опыт с бочонком» не был единичным. Попадание шаровых молний в баки, канистры и ведра с водой во все последующие времена везде вызывало вскипание содержимого. Просто «опыт с бочонком» профессора Б. Гудлета наиболее подробно и достоверно разобран учеными.

Американский исследователь Гарольд У. Льюис высказал мнение, что если бы объем шаровой молнии был заполнен напалмом или желеобразным бензином, то энергия напалмового шара равнялась бы энергии шаровой молнии таких же размеров. Правда, плотность энергии в этом случае будет в несколько раз меньше – около 50 мегаджоулей на килограмм, но, в общем-то, и это чрезвычайно много!

Из множества попыток объяснить природу шаровой молнии пока ни одна не увенчалась успехом. Мне же наиболее любопытными показались две противоположные гипотезы. Согласно первой из них, выдвинутой в прошлом веке знаменитым французским ученым Домиником Араго, шаровая молния – особое соединение азота с кислородом, энергия взаимодействия которых и расходуется на существование шаровой молнии. Этой же точки зрения придерживался французский астроном и физик Матиас, который полагал, что энергия шаровой молнии – «грозовой материи» – вчетверо больше, чем энергия такого же шара, наполненного нитроглицерином.

К сожалению, подобных соединений химикам создать пока не удалось, хотя, как можно судить по некоторым сообщениям, надежд на это они все-таки не теряют. Уверяют, что горение искусственной «грозовой материи» по своему эффекту будет мало чем отличаться от взрыва шаровой молнии.

Известный советский физик Я.И. Френкель, сторонник первой гипотезы, считал шаровую молнию сфероидным вихрем смеси частиц пыли или дыма с химически активными (из-за электрического разряда) газами. Такой шар-вихрь, подчеркивал ученый, способен на длительное независимое существование. Действительно, согласно наблюдениям, шаровая молния появляется в основном при электрическом разряде в запыленном воздухе и оставляет после себя дымку с острым запахом.

Недавно открытое советскими учеными явление хемилюминесценции вновь вызвало интерес к первой гипотезе возникновения шаровой молнии. Ряд исследователей утверждают, что шаровая молния не что иное, как хемилюминесцентное образование – ХЛО, которое тоже наблюдается в запыленном воздухе.

Так или иначе, но эта гипотеза, по которой вся энергия шаровой молнии находится внутри ее самой, нравилась мне больше остальных. Может быть, потому, что она позволяет считать шаровую молнию накопителем энергии.

Совершенно противоположную точку зрения на происхождение шаровой молнии высказал академик П.Л. Капица. Прежде всего он считает неприемлемой первую гипотезу, так как она якобы противоречит закону сохранения энергии. «Если в природе, – пишет П.Л. Капица, – не существует источников энергии, еще нам неизвестных, то на основании закона сохранения энергии приходится принять, что во время свечения шаровой молнии непрерывно подводится энергия, и мы вынуждены искать этот источник энергии вне объема шаровой молнии».

При этом П.Л. Капица ссылается на так называемое высвечивание, то есть прекращение сияния шаровой молнии. Время высвечивания сияющего шара прямо пропорционально его диаметру. Экспериментальные ядерные взрывы показали, что огненное облако диаметром в 150 метров высвечивается примерно за 10 секунд. Стало быть, шаровая молния диаметром 10 сантиметров (наиболее вероятный ее размер) высветится всего за 0,01 секунды!

Исходя из этого, П.Л. Капица полагает, что шаровую молнию, существующую в тысячи раз дольше расчетного времени, питают приходящие извне радиоволны, преимущественно длиной от 35 до 70 сантиметров. Взрыв шаровой молнии объясняется внезапным прекращением подвода энергии (например, если резко меняется частота электромагнитных колебаний) и представляет собой простое «схлопывание» разреженного воздуха.

Хотя эта теория нашла горячих приверженцев, многое в ней не соответствует наблюдениям. Во-первых, радиоволны в диапазоне 35…70 сантиметров, появляющиеся в результате атмосферных разрядов, современными радиоустановками не зафиксированы. Во-вторых, эта теория не соответствует «опыту с бочонком», описанному профессором Б. Гудлетом. Дело в том, что вода является практически непреодолимой преградой для радиоволн. Если бы даже их энергия передалась воде мгновенно, это не вызвало бы сколько-нибудь заметного нагрева ее.

Неувязка получается и со взрывом шаровой молнии. Хорошо известно, что этот взрыв способен вызвать большие разрушения. Шаровая молния легко переламывает при соприкосновении толстенные бревна, волочит по земле тяжелые предметы, переворачивает трактора, совершает другие «силовые» трюки. Взрыв молнии, нередко оглушительный, способен разнести в куски прочнейшие предметы. Был даже случай, когда шаровая молния «нырнула» в реку и взорвалась там, подняв огромный фонтан воды. «Схлопывание» же шаровой молнии по своему эффекту напоминало бы скорее лопающийся резиновый воздушный шарик. Что касается высвечивания, которое приводят в качестве основного аргумента критики гипотезы внутренней энергии шаровой молнии, то длительность его вовсе не противоречит закону сохранения энергии при допущении, что энергия переходит в свечение не сразу, а постепенно. Если внутренняя энергия шаровой молнии как аккумулятора выделяется медленно, то свечение может продолжаться достаточно долго. Так например, литр легкого газа ацетилена, медленно сгорая в воздухе, обеспечивает яркое свечение, соизмеримое с силой света шаровой молнии, в течение нескольких десятков секунд. А ведь вещество шаровой молнии может таить энергию и в сотни раз большую.

Я уже почти не сомневался, что шаровая молния несет свою энергию внутри себя. То есть она и есть настоящая «энергетическая капсула», только созданная не человеком, а искусницей природой.

Однако загадка шаровой молнии до сих пор остается неразгаданной, пока не удалось получить шаровую молнию искусственно. Возможно, что, добившись этого, человек будет иметь едва ли не самый емкий аккумулятор энергии! Но в нынешнем виде «грозовая материя» показалась мне слишком опасной, чтобы строить «капсулу» на ее основе.

 

См. также:

1. Носков Н.К. Физическая модель шаровой молнии. НиТ, 1999.
2. Чинарёв И.П. Подходы к объяснению шаровой молнии. НиТ, 1999.
3. Маханьков Ю.П. Условия образования шаровой молнии. НиТ, 2000.
4. Федосин С.Г., Ким А.С. Шаровая молния: электронно-ионная модель. НиТ, 2000.
5. Федосин С.Г., Ким А.С. Шаровая молния: электронно-ионная модель. НиТ, 2000.
6. Резуев К. Шаровая молния. НиТ, 2002.

 

• Мечте – 5500 лет!

• Оглавление

Дата публикации:

20 февраля 2000 года

Тест по физике «Свободные и вынужденные электромагнитные колебания» 11 класс

Свободные и вынужденные электромагнитные колебания

Задание 1

на рисунке представлен график зависимости силы тока вынужденных колебаний от частоты, вынуждающей ЭДС. Определите амплитуду колебаний при резонансе.

1) 5 А 2) 1 А 3) 4 А 4) 8 А

Задание 2

Лейденская банка представляет собой

1) первый конденсатор 2) прибор, для изучения колебаний

3) прибор, для зарядки воды 4) прибор, созданный для утех короля Франции

Задание 3

Почему свободные электромагнитные колебания со временем затухают?

1) происходит потеря энергии за счет сопротивления соединительных проводов

2) катушка обладает сопротивлением

3 ) все перечисленное 4) конденсатор обладает сопротивлением

Задание 4

Как называется прибор, представленный на рисунке?

1) Парижская банка 2) банка Кюнеуса 3) лейденская банка 4) банка Мушенбрука

Задание 5

Свободные колебания — это

1) периодические изменения силы тока и других электрических величин в цепи под действием переменной ЭДС от внешнего источника

2) колебания, возникающие в системе за счет расходования сообщенной этой системе энергии, которая в дальнейшем не пополняется

3) периодические изменения со временем электрических и магнитных величин в электрической цепи

4) ответ неоднозначен

Задание 6

Почему при разрядке лейденской банки через катушку со стальным сердечником, сердечник намагничивается каждый раз по-разному?

1) в цепи возникают электромагнитные колебания

2) конденсатор каждый раз разряжается в разном направлении

3) не возможно дать ответ на этот вопрос

4) все зависит от начального заряда лейденской банки

Задание 7

Периодические изменения со временем электрических и магнитных величин в электрической цепи, называются

1) механическими колебаниями 2) никак не называются

3) осциллограммой 4) электромагнитными колебаниями

Задание 8

Свободные колебания со временем

1) затухают 2) превращаются в вынужденные

3) ответ не однозначен 4) могут существовать сколь угодно долго

Задание 9

Свое название лейденская банка получила

1) данное название ей дал король Франции, поразившийся демонстрации свойств банки

2) ее так назвал аббат Нолле

3) лейден переводится как электричество 4) в честь города Лейдон

Задание 10

Вынужденные электромагнитные колебания — это

1) колебания, возникающие в системе за счет расходования сообщенной этой системе энергии, которая в дальнейшем не пополняется

2) ответ неоднозначен

3) периодические изменения силы тока и других электрических величин в цепи под действием переменной ЭДС от внешнего источника

4) периодические изменения со временем электрических и магнитных величин в электрической цепи

Свободные и вынужденные электромагнитные колебания

Ответы:

1) (1 б.) Верные ответы: 4;

2) (1 б.) Верные ответы: 1;

3) (1 б.) Верные ответы: 3;

4) (1 б.) Верные ответы: 3;

5) (1 б.) Верные ответы: 2;

6) (1 б.) Верные ответы: 1;

7) (1 б.) Верные ответы: 4;

8) (1 б.) Верные ответы: 1;

9) (1 б.) Верные ответы: 4;

10) (1 б.) Верные ответы: 3.

Что такое лейденская банка?

Лейденская банка — это устройство, которое использовалось в 1700-х годах для накопления электростатической энергии. Электростатические частицы представляют собой электрически заряженные частицы, которые могут оставаться относительно неподвижными в проводниках или изоляторах. Иногда называемый «лейденской банкой», лейденская банка использовала стеклянную банку, которая была и остается популярным изолирующим устройством. Как и в конденсаторах, стеклянный сосуд служил диэлектриком между двумя проводниками и был составлен из внутренней и внешней проводящей фольги. Тонкая фольга была легко сформирована, чтобы принять форму внутренней и внешней части стеклянной банки.

В ранних конденсаторах использовались две проводящие пластины, разделенные изолятором, называемым диэлектриком. Чем больше площадь поверхности пластин конденсатора, тем больше было значение емкости. Лучше всего ограничить разность потенциалов между пластинами конденсатора. Когда напряжение на двух пластинах увеличивается, возникает точка, в которой на диэлектрике будет возникать дуга, которая ухудшит характеристики конденсатора. Обычно конденсаторы используются в цепях питания и сигнальных фильтров.

Обычно внешняя фольга контактирует с человеком, проводящим эксперимент с лейденской банкой. Внутренняя фольга обычно прикрепляется к изолированному внутреннему проводящему электроду, который выступает в верхней части лейденского сосуда. Цепь в нижней части этого внутреннего электрода обычно соединяет его с внутренней фольгой. В ранних экспериментах вода была налита внутри банки, чтобы соединить электрод с внутренней фольгой.

Клейстянская банка была разработана раньше, чем лейденская банка. Это было очень похоже на лейденскую банку, но без внешней фольги. Принцип сохранения электрического заряда заключается в том, что электрически заряженные проводники, изолированные от земли, сохраняют электрический заряд. Если электрический потенциал в этих проводниках достаточно высок, чтобы ионизировать окружающие молекулы воздуха, возникает коронный разряд. Это можно увидеть в высоковольтном распределительном оборудовании и других высоковольтных устройствах.

Колокола Франклина состоят из центрального колокола, висящего на изолирующей нити, привязанной к центру проводящего турника. Два боковых колокола, висящие на проводящих цепях, привязаны к концам горизонтальной планки. Так как это происходит, когда электрический заряд становится доступным на центральном колоколе, существует необходимость в способе передачи заряда на боковые колокола.

Дополнительные бобы, прикрепленные к изоляционной резьбе на каждой стороне центрального раструба, обеспечивают необходимую передачу заряда. Когда боб имеет нейтральный заряд, его притягивает центральный колокол. Если напряжение на центральном колоколе и на бобе одинаковое, возникает отталкивание, и боб направляется на боковой колокол. Когда он соединяется с боковым колоколом, заряд боба нейтрализуется. Пока кувшин Лейдена подает заряды на центральный колокол, бобы продолжают качаться, непрерывно звоня в колокола Франклина.

ДРУГИЕ ЯЗЫКИ

Конденсаторы

Александр Семенов

Конденсаторы являются непременным элементом любых электронных схем, от простых до самых сложных. За два с половиной века своего существования они весьма значительно изменили свой облик и сегодня отвечают всем требованиям передовой технологии. Некоторые конденсаторы стоят не больше рубля, но их производство в мировом масштабе исчисляется миллиардами долларов.

Принципы изготовления конденсаторов стали известны еще 250 лет назад, когда в 1745 г. в Лейдене немецкий физик Эвальд Юрген фон Клейст и нидерландский физик Питер ван Мушенбрук (см. статью «Первые опыты по передаче электричества на расстояние») создали первый конденсатор — «лейденскую банку» — в ней диэлектриком были стенки стеклянной банки, откуда и возникло название. Эти принципы не изменились до сих пор, однако совершенствование технологий и применение новых материалов позволили значительно улучшить конструкцию конденсаторов. Суммарный заряд, который мог накапливаться в лейденской банке емкостью 1 литр, теперь можно «уместить» в устройстве размером не больше булавочной головки. За последние 30 лет размеры конденсаторов уменьшались столь же быстро, сколь быстро происходила миниатюризация в электронике.

Миниатюризация — основное направление в совершенствовании конструкции конденсаторов, поскольку от этого зависит дальнейшее уменьшение размеров интегральных схем. Существуют две наиболее распространенные конструкции конденсаторов: одна основана на использовании хрупких керамических слоев толщиной 0,002 см и меньше, а в основе другой лежит технология, позволяющая «сворачивать» плоские структуры площадью с газетный лист в объемные конструкции размером с кусок сахара. Чтобы понять теоретические основы этих технологий, вернемся к самым первым конденсаторам.

Прообразом современных конденсаторов, как уже было сказано, была лейденская банка. В 1746 г. ее усовершенствовал английский ученый, астроном и физик Дж. Бевис. Лейденская банка представляет собой стеклянный сосуд, внутренняя и наружная поверхность которого покрыты двумя листами фольги. Через резиновую пробку в сосуд вставлен металлический стержень так, что он касается внутреннего листа фольги. Внутренний и наружный листы фольги, в обычных условиях имеющие нейтральный заряд, играют роль электродов, если их подсоединить к внешнему источнику электрических зарядов.

Источником зарядов может быть электрическая батарейка, генератор или простая эбонитовая палочка, потертая о шерсть или мех. Если такой палочкой, несущей в себе свободные электроны, коснуться металлического стержня в горлышке сосуда, электроны перетекут с палочки на внутренний электрод. Таким образом отрицательный заряд будет перенесен на внутренний электрод. Поскольку способность накапливать заряды у сосуда ограничена их взаимным отталкиванием, их переход на электрод не может быть бесконечным. Способность накапливать или удерживать заряды называется емкостью.

В лейденской банке емкость увеличивается благодаря наличию второго электрода на внешней стенке сосуда. Если этот электрод заземлить, то заряд, накопленный на внутреннем электроде, будет притягивать из земли такой же по величине заряд противоположного знака. Накопленный на наружном электроде положительный заряд притягивает находящиеся на внутреннем электроде отрицательно заряженные электроны, частично нейтрализуя силы отталкивания, сдерживающие накапливание электронов. Благодаря этому емкость сосуда увеличивается. Однако расти бесконечно она не может.

Имеются два пути увеличения емкости лейденской банки. Один из них заключается в увеличении площади электродов, чтобы дать возможность зарядам рассредоточиться в большем пространстве и тем самым уменьшить силу взаимного отталкивания электронов. Другой путь — уменьшить толщину стеклянной стенки сосуда, разделяющей заряды, скапливающиеся на внутреннем и внешнем электродах. Не надо забывать при этом, что если стекло будет слишком тонким, электроны смогут пройти сквозь него, создавая искровой разряд, что приведет к рассеянию заряда.

Оба пути в лейденской банке трудно реализовать, но они входят в число трех классических способов, к которым прибегают современные ученые и инженеры при разработке новых конструкций конденсаторов. Третье направление увеличения емкости — учет особенностей поведения электронов в изоляторах. Хотя электроны в изоляционном материале неподвижны, они все же могут слегка смещаться под воздействием сил притяжения или отталкивания, действующих со стороны электродов. На одной стороне разделяющего электроды диэлектрика электроны как бы «вспучиваются» под его поверхностью, создавая отрицательный заряд, на другой его стороне они «утопают» в толщу диэлектрика, увеличивая в подповерхностной зоне значение положительного заряда.

Таким образом, созданные в диэлектрике заряды способствуют нейтрализации зарядов на обкладках, а некоторые диэлектрики могут нести заряды, которые по величине не уступают зарядам на самих электродах. Нейтрализация зарядов уменьшает действие сил отталкивания и создает условия для накопления на электродах большего заряда, что ведет к увеличению емкости. Степень проявления этого феномена зависит от свойств диэлектрика и называется диэлектрической проницаемостью материала. Диэлектрическая проницаемость указывает, во сколько раз увеличивается емкость конденсатора, когда вместо вакуума пространство между его электродами (обкладками) заполняется данным материалом. Стекло, используемое в лейденской банке, имеет значение диэлектрической проницаемости около 5, а диэлектрическая проницаемость новых материалов, используемых в современных конденсаторах массового производства, достигает 20 000.

Применением этих материалов как раз и объясняется высокая эффективность работы многослойных керамических конденсаторов, являющихся одним из двух наиболее распространенных видов этого устройства. Другой тип — электролитические конденсаторы; их удельная емкость (на единицу объема) еще выше, даже без использования диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью. Объем производства тех и других составляет 95% общего количества поступающих в продажу конденсаторов.

Многослойный керамический конденсатор — уменьшенный вариант лейденской банки. На практике в качестве диэлектрика в керамических конденсаторах используется титанат бария с добавлением небольшого количества других оксидов. Такие керамики, имеющие диэлектрическую проницаемость в пределах от 2000 до 6000, в исходном состоянии представляют собой тонкодисперсный порошок, частицы которого имеют диаметр несколько микрон. Порошок смешивают с растворителем, содержащим связующее вещество, которое потом соединит равномерно рассредоточенные в растворе частицы керамики. Полученная смесь в виде жидкой глины имеет такую же консистенцию, как и краска. Смесь разливают слоем толщиной несколько сотых долей миллиметра на бумажную или стальную ленту и высушивают. Пленка режется на квадратные пластины размером 15-20 см; на каждую такую пластину методом печатного монтажа наносится несколько тысяч обкладок через специальный трафарет, задающий их конфигурацию. Для нанесения обкладок используется серебряно-палладиевая суспензия.

После того как обкладки нанесены, берут 30-60 пластин и спрессовывают их между несколькими слоями таких же пластин, на которые обкладки не наносились. Полученные заготовки конденсаторов обжигаются в печи с медленным нагревом до 1000-1400°С.

Электролитический конденсатор можно уподобить лейденской банке из очень тонкого стекла, уменьшенной до размеров небольшого куба. Он изготавливается из куска металла с 60%-ной пористостью. Для большинства современных электролитических конденсаторов используют измельченный тантал — твердый металл серого цвета. Порошок тантала спрессовывается и затем в течение нескольких часов полученную заготовку нагревают в вакуумной камере до температуры, близкой к 2000°С. В результате частицы металла спекаются, плотно сцепляясь друг с другом. Образуемые при этом небольшие ниши и щели в толще спрессованного порошка повышают поверхностную площадь заготовки, которая потом будет служить одной из обкладок конденсатора. Затем в электролитической ванне заготовку подвергают анодированию, чтобы на поверхностях пор получить изолирующий слой оксида тантала. Потом заготовку погружают в раствор нитрата марганца. В ее порах после нагрева осаждаются частицы полупроводящего диоксида марганца, слой которых играет роль одной обкладки, а танталовые частицы под слоем оксида тантала — другой обкладки. Конденсатор сначала покрывают графитовой, потом серебряной краской, напыляют слой никеля и заделывают в корпус.

Несмотря на то что электролитические конденсаторы имеют наибольшую удельную емкость по сравнению с другими типами конденсаторов, область их применения ограничена. Во-первых, это объясняется тем, что подводимое к нему напряжение должно иметь определенную полярность, которую нельзя менять. Эта особенность допускает использование электролитических конденсаторов только в цепях постоянного тока. Во-вторых, электролитические конденсаторы более подвержены пробою, поскольку слои диэлектрика в нем очень тонкие.

По материалам журнала Scientific American

лейденская банка — MagLab

Эти устройства, хотя и довольно скромные, представляют собой огромный прорыв в истории электричества; они были первыми конденсаторами и, как таковые, могли накапливать электрический заряд.

Лейденские кувшины были изобретены в середине 1700-х годов и названы в честь места — Лейденского университета, где проводились первые эксперименты. Эти устройства, хотя и довольно скромные, представляли собой огромный прорыв в истории электричества, поскольку они были самыми первыми конденсаторами и, как таковые, могли накапливать электрический заряд.Ученые создавали статическое электричество с помощью электростатических генераторов в течение столетия; теперь им наконец-то было куда его положить!

Если вы не знакомы с ними, посетите наш учебник по электростатическим генераторам, где вы получите базовое представление о том, как эти устройства наполняли лейденские банки создаваемым ими зарядом. Затем вернитесь к приведенному ниже руководству, в котором более подробно рассказывается о том, как это происходит и как после этого опорожняются банки.

Выше наша скромная лейденская банка.Это не копия самого первого, который состоял (как сообщается) из пивного стакана, наполненного водой (который, если не дистиллированный, является проводником), в который был вставлен гвоздь через пробку из изоляционного материала, такого как пробка. . Скорее, эта лейденская банка отражает усовершенствования последующего прототипа, включающие две металлические пластины конденсатора, а не только одну.

Итак, наша лейденская банка состоит из стеклянной банки , которая изолирует наши два проводника .Сами проводники выполнены в виде тонких листов оловянной фольги, один из которых обернут снаружи емкости, а другой — внутри. Внутри баночки висит металлическая цепочка . Эта цепь соединена с латунным стержнем , проходящим через изолирующую деревянную крышку и заканчивающимся шариком. Вся эта установка заземлена , что означает, что она прикреплена к земле (или к чему-то еще, что прикреплено к земле), чтобы замкнуть цепь.

Мы будем использовать гальваническую кучу (невидимую), чтобы зарядить нашу банку.(Имейте в виду, что первые ученые, которые экспериментировали с лейденскими сосудами, не использовали бы гальваническую батарею, поскольку она была изобретена лишь несколько десятилетий спустя). Нажмите синюю кнопку заряда , чтобы начать это руководство, и наблюдайте, как электронов в токе (изображенные в виде маленьких желтых частиц) перемещаются по проводу к латунному стержню. Как видите, эти электроны проходят вниз по металлическому стержню, вниз по цепи и к внутренней поверхности емкости, к которой прикреплена цепь.Но здесь они наталкиваются на преграду, поскольку им преграждает путь стекло, действующее как изолятор (также называемый диэлектриком ), и они накапливаются во внутренней металлической облицовке. Между тем, с другой стороны стекла, электроны во внешней металлической облицовке отталкиваются скоплением электронов на внутренней облицовке. Отталкиваемые электроны оставляют чистый положительный заряд (обозначенный красными знаками плюс) на проводнике. Итак, вы получите две металлические пластины с равными, но противоположными зарядами.

Еще одна интересная вещь, происходящая здесь (но не описанная в учебнике), заключается в том, что молекулы в стеклянной банке тоже реагируют на заряды; отрицательные заряды в молекулах смещаются наружу, положительно заряженный металл, а положительные заряды ориентируются на отрицательные заряды внутри. Это называется поляризацией .

А что вы делаете с электричеством, если оно попадает в банку? Ну, раньше люди использовали коллекции лейденских банок как батарейки, чтобы приводить в действие любое количество вещей.Они также используются, как тогда, так и сейчас, для демонстрации основных электрических принципов (иногда шокируя аудиторию несколькими способами). Мы тоже здесь продемонстрируем (без шока).

Используйте ползунок положения стержня , чтобы подвести выпускной стержень к заряженной лейденской банке. Как видите, одна рука жезла будет приближаться к отрицательно заряженному металлическому шарику, а другая — к положительно заряженной подкладке за пределами емкости. Оборудованные этим путем, эти противоположно заряженные частицы, когда жезл подойдет достаточно близко, перепрыгнут через искровой разрядник с драматической маленькой вспышкой и устремятся друг к другу.

Физика лейденской банки в «МакГайвере»

В недавнем эпизоде ​​«МакГайвера» Ангус (так его ДЕЙСТВИТЕЛЬНО близкие друзья называют его) строит лейденскую банку из очень простых компонентов. Конечно, здесь есть отличная физика, поэтому я, очевидно, остановлюсь на этом. Полное раскрытие информации — в настоящее время я технический консультант шоу МакГайвера.

Что такое лейденская банка?

Давным-давно люди только начинали разбираться в электричестве — в частности, в изучении электростатики.Лейденская банка изначально использовалась для хранения электрического заряда после зарядки какого-нибудь натертого предмета (например, ваших носков в сушилке). Было два распространенных варианта лейденской банки, позвольте мне проиллюстрировать оба.

Для версии 1 стеклянная чашка окружена двумя металлическими частями. Один кусок металла находится внутри чашки, а другой — снаружи. Однако для версии 2 внутренний металл заменен на воду. Да, вы можете заменить металл водой, если вода является проводником электричества.Большая часть воды проводит электричество, но на всякий случай можно добавить немного соли.

а как работает? На самом деле лейденская банка — это просто конденсатор — вот и все. Самый простой конденсатор состоит из двух параллельных металлических пластин, между которыми ничего нет. Если вы добавите заряд к одной стороне пластин, это потянет противоположный заряд на другую пластину (при условии, что есть путь, по которому заряд может попасть туда). Вот как бы это выглядело.

В этом примере есть заряд + Q на одной пластине (и — Q на другой) с разностью электрических потенциалов ΔV.Отношение заряда (только на одной пластине) к разности потенциалов определяется как такая емкость, что. Емкость измеряется в фарадах.

Однако оказывается, что значение емкости зависит только от физической конфигурации устройства. В данном случае это означает размер пластин, расстояние между ними и материал, который находится между ними. Для конденсатора с параллельными пластинами (как указано выше) емкость можно рассчитать как:

Площадь конденсатора составляет A , а d — это расстояние между пластинами.Переменная ε (эпсилон) называется диэлектрической проницаемостью и зависит от типа материала между пластинами.

Хотя лейденская банка имеет другую конфигурацию, в основном она работает одинаково. Наружный металл можно заземлить, просто взяв его рукой или протянув провод к металлической водопроводной трубе. Когда вы подносите заряженный предмет (например, пластиковую ручку, которую вы втираете в волосы) рядом с металлом в середине, это добавит заряд воде и привлечет противоположный заряд к внешнему металлу.Можно довести это до довольно высокого напряжения, поскольку стекло между водой и металлом действует как изолятор.

Как сделать лейденскую банку?

Думаю, вы можете понять это по тому, как это работает — но все же позвольте мне показать вам, как его сделать. Вот видео, которое я сделал вместе с этим эпизодом MacGyver, который проведет вас через эту сборку.

Позвольте мне отметить, что создание подобных видео — одна из лучших частей работы со сценаристами МакГайвера в качестве технического консультанта шоу.Большинство хаков в MacGyver, по крайней мере, научно правдоподобно, но многие из них вы не должны пробовать дома (например, выпрыгивать из трехэтажного окна с огнетушителем и мешком для тела). У других хаков может быть домашняя версия — вот что вы получите здесь. В какой-то момент каждый должен поиграть с вещами.

Что можно сделать с этой лейденской банкой? Как насчет искры? Сначала заземлите его (удерживайте или подключите к земле), а затем потрите чем-нибудь, чтобы получить заряд (пластик на шерсти работает).Прикоснитесь этим пластиком к металлу посередине и повторяйте это, пока не устанете. Теперь поднесите проволоку от внешней фольги к металлическому гвоздю посередине, и у вас должна получиться красивая искра. Вот небольшая искра во влажный день (если сухой, то лучше подойдет).

Leyden Jar Аккумулятор | Институт истории науки

В самом начале 1700-х годов Фрэнсис Хоксби соединил стеклянный шар и кривошип, чтобы сделать электростатическую машину. Но не было возможности хранить заряд, образовавшийся в результате трения ткани или кожи о вращающееся стекло, то есть примерно до 1745 года, когда Юрген фон Клейст в Померании и Питер ван Мушенбрук в Лейдене создали то, что стало известно как лейденская банка.

В простейшем случае лейденская банка представляет собой стеклянную бутылку, которая частично заполнена водой с врезанной в нее проволокой (более поздние банки были обернуты металлической фольгой внутри и снаружи стекла и не содержали воды). Муссенбрук записал, что произошло, когда он впервые коснулся провода после зарядки емкости: «Внезапно я получил в правой руке такой сильный удар, что все мое тело сотряслось, как от удара молнии. . . . Я считал, что мне конец ». Мушенбрук начал давать подробные инструкции о том, как построить свой сосуд, и в эпоху безудержных экспериментов над собой любопытные как в Европе, так и в Америке быстро вызывали у себя кровотечение из носа, приступы головокружения и то, что некоторым казалось сердечным приступом во время своих исследований. .

Лейденская банка очень хорошо использовалась в серьезной науке и в массовых развлечениях. Бенджамин Франклин использовал один из них в своем знаменитом эксперименте с воздушным змеем, чтобы показать, что молния — это обычное электричество. Чтобы развлечь короля, Жан-Антуан Нолле заставил 180 французских солдат прыгнуть в воздух, когда через них протекало электричество из его лейденских кувшинов. Банки также могут быть связаны, что позволяет хранить больше заряда. Франклин назвал эти соединенные банки батареей, но в отличие от настоящей батареи лейденские банки высвободили всю свою энергию за один раз.

В 1790-х годах, в самом конце эпохи Просвещения, спор по поводу электричества между двумя итальянскими учеными — Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта — привел к тому, что Вольта построил самую первую батарею. Впервые электричество можно было пустить в непрерывную работу.

Несмотря на свое затмение, лейденские банки не попали в историческую свалку. В самом конце 19 века они нашли новое применение в беспроводной связи и — в миниатюрной форме — активно работают сегодня под новым названием — конденсатор.

CHF недавно купил в Париже набор из шести лейденских банок, датированных примерно 1900 годом. Эти связанные банки, скорее всего, использовались в демонстрационных целях.

лейденская банка — проект Джозефа Генри

Лейденская банка: Лейденская банка, или лейденская банка, представляет собой устройство, которое «накапливает» статическое электричество между двумя электродами внутри и снаружи стеклянной банки [википедия]. Он широко использовался для проведения многих ранних экспериментов с электричеством. Типичная конструкция состоит из стеклянного сосуда с проводящей металлической фольгой, покрывающей внутреннюю и внешнюю поверхности.

Необходимо измерить емкость лейденской банки для оценки в экспериментах. Однако емкость нельзя измерить напрямую. Причина в том, что металлический шарик соединен цепочкой, которая обеспечивает проводимость только при возникновении дуги. Однако его трудно измерить при возникновении дуги из-за высокого напряжения. Возможный подход — подключить лейденскую банку к RC-цепи и измерить постоянную времени разряда. Однако на практике это сложно, потому что напряжение лейденской банки очень высокое (около 10 кВ), и его трудно измерить с помощью обычного оборудования в лаборатории.Я пробовал аналогичный способ, например, использовал параллельно большой конденсатор, но не смог получить приемлемый результат. Другой возможный способ — обойти цепочку:

Наши измерения

Мы провели некоторые измерения с лейденской банкой, использованной в более поздних экспериментах, следуя описанному выше методу:

Результат:
Результат измерения 1800 пФ при прямом подключении. Емкость лейденской банки можно рассчитать с помощью уравнения C = ԐA / d, где Ԑ — абсолютная диэлектрическая проницаемость, а Ԑ = Ԑr * Ԑ0, ε0 = 8.854187817 .. × 10-12 Ф / м; A — площадь поперечного сечения конденсатора, а d — зазор между двумя проводящими пластинами. Здесь размер банки составляет 21 см в высоту, 10,6 см в диаметре и толщину около 2 мм. Диэлектрик — стекло, относительная диэлектрическая проницаемость стекла варьируется от 3,7 до 10. Здесь для расчета мы используем 4,7. Таким образом, рассчитанный результат C = 4,7 * 8,854187817 × 10-12 Ф / м * 10,6 см * пи * 21 см / 2 мм = 1455 пФ. Расчетный результат согласуется с измеренным результатом.

Лейденская банка — Проверка кода

Первым устройством, способным накапливать электрический заряд, была лейденская банка.Открытие, изобретенное немцем Эвальдом фон Клейстом 4 ноября 1745 года, было сделано случайно. Экспериментируя с электричеством, он прикоснулся своим электрическим генератором к гвоздю, воткнутому в бутылку с лекарством через пробку. Позже он испытал сильный шок, прикоснувшись к гвоздю. Хотя он не понимал, как это работает, он обнаружил, что гвоздь и банка способны временно накапливать электроны. Сегодня мы бы назвали это устройство конденсатором. Конденсаторы используются в любом электронном оборудовании.

Фон Клейст, возможно, был первым, но сегодня о нем почти забыли. Кредит Лейденской банке обычно приписывают Питеру ван Мушенбруку из Лейдена, Голландия, который в 1746 году открыл то же самое. Используя кувшин с водой с металлическим стержнем в нем, он прикоснулся стержнем к своему электростатическому генератору. Казалось, что ничего не произошло, но когда человек, держащий банку, коснулся стержня, он испытал ужасный шок. Маркетинг — это все, и новости об открытии Ван Мушенбрука быстро распространились по Европе и по всему миру.

Лейденская банка стала очень важной в электротехнических исследованиях. Более компактные и более простые в перемещении, чем электростатический генератор, экспериментаторы могли заряжать свои сосуды и брать с собой накопленную электроэнергию в лаборатории или на улице. Бенджамин Франклин использовал лейденские банки в своих знаменитых экспериментах по запуску воздушных змеев. Спустя столетие лейденские банки и конденсаторы стали важными в электрическом освещении, радио и многих других практических приложениях.

Лейденская банка — это тот же самый объект, о котором говорится во фразе «ловить молнию в бутылке», что означает захват чего-то мощного и неуловимого, а затем возможность удержать это и показать это миру.

Как это работает
Лейденская банка представляет собой цилиндрический контейнер, сделанный из диэлектрика (изолятора, такого как пластик или стекло) со слоем металлической фольги внутри и снаружи. Когда внешняя поверхность заземлена, заряд передается на внутреннюю поверхность. Это дает внешнему виду равный, но противоположный заряд. Когда внешняя и внутренняя поверхности соединяются проводником, появляется искра, и все возвращается в норму.

Количество заряда, которое может хранить одно из этих устройств, зависит от приложенного к нему напряжения, умноженного на его емкость.Проще говоря, емкость зависит от площади фольги или металла, типа материала между двумя слоями фольги и толщины (обычно чем тоньше, тем лучше) этого материала.

Лейденская банка знакомит с эпохой электричества

Leyden Jars, Музей Тейлера, Харлем, Нидерланды
© Ziko van Dijk

11 октября 1745 года немецкий священнослужитель Эвальд Георг фон Клейст (и независимо от него голландский ученый Питер ван Мушенбрук из города Лейден, Нидерланды) изобрел предшественницу современной батареи, Leyden Jar .В принципе, сосуд работал как конденсатор для хранения электроэнергии и использовался для проведения многих ранних экспериментов с электричеством. Его открытие имело фундаментальное значение для изучения электричества. До его изобретения исследователям приходилось прибегать к изолированным проводам больших размеров для хранения заряда. Лейденская банка предоставила гораздо более компактную альтернативу и положила начало тому, что часто называют ранней эрой электричества.

От древних греков до первых машин трения

Еще древние греки знали, что куски янтаря могут притягивать легкие частицы после того, как их натерли.Янтарь электризуется за счет трибоэлектрического эффекта, механического разделения заряда в диэлектрике. Греческое слово, обозначающее янтарь, — ἤλεκτρον (« электрон ») и является источником слова « электричество ». Но этот электростатический эффект можно было установить только временно. Чего не хватало долгое время, так это каких-то средств для хранения электроэнергии с течением времени. В 17 веке Отто фон Герике построил первый механический электростатический генератор, который состоял из серного шара, вращающегося на валу.Когда Герике прижал руку к мячу и быстро повернул вал, возник статический электрический заряд [3]. Этот эксперимент вдохновил на разработку нескольких форм «машин трения», которые очень помогли в изучении электричества.

Дизайн лейденской банки

Эвальд Георг фон Клейст и Лейденская банка

Идея лейденской банки была независимо открыта немецким ученым и юристом Эвальдом Георгом фон Клейстом и голландцем Питером ван Мушенбруком.Их мнение о природе электричества заключалось в том, что они рассматривали его как своего рода жидкость и надеялись разработать сосуд для улавливания этой жидкости [1]. В 1744 году фон Клейст облил стеклянный сосуд серебряной фольгой и заряжал фольгу с помощью машины трения. Он был убежден, что значительный электрический заряд может быть накоплен, когда он получил сильный ток от устройства. Фон Клейст писал в письме:

– Когда гвоздь или кусок толстой латунной проволоки вставляют в маленький аптекарский пузырек и заряжают электричеством, возникают замечательные эффекты; но склянка должна быть очень сухой или теплой.Я обычно предварительно натираю его пальцем, на который наношу толченый мел. Если добавить в него немного ртути или несколько капель винного спирта, эксперимент пройдет лучше. Как только этот пузырек и гвоздь вынут из электризующего стекла или главный проводник, с которым он был открыт, вынут, он выбрасывает такой длинный карандаш пламени, что с этой горящей машиной в моей руке, Я прошел по комнате более шестидесяти шагов. Когда он сильно наэлектризован, я могу отнести его в другую комнату, и там будут огненные духи вина.Если во время возбуждения я приложу палец или кусок золота, который держу в руке, к гвоздю, я получу электрический ток, оглушающий мои руки и плечи »[2]

Независимые выводы Питера ван Мушенбрука

Независимо от результатов Клейста, голландские ученые Питер ван Мушенбрук и Куней из Лейденского университета также пришли к той же идее [4]. Но, поскольку Мушенбрук сообщил об этом французскому научному сообществу, разработанное устройство было названо «лейденской банкой» в пользу голландцев.В различных документах также упоминается Андреас Куней (1712-1788) как соавтор и друг Мюссенбрука, в то время как другие ошибочно приравнивают Мушенбрука к Кунею по имени в скобках. Однако в Германии устройство называлось « Kleistian jar » ( Kleistian Flasche ).

«Я так много узнал об электричестве, что дошел до точки, когда ничего не понимаю и ничего не могу объяснить».
— Питер ван Мушенбрук, в письме к Ремюру (20 января 1746 г.), в [5]

Дизайн лейденской банки

Типичная конструкция лейденской банки состоит из стеклянной банки с проводящей металлической фольгой, покрывающей внутреннюю и внешнюю поверхности.Покрытия из фольги не доходят до горловины банки, чтобы предотвратить искрение заряда между фольгами. Стержневой электрод выступает через горловину сосуда, электрически соединенным каким-либо образом (обычно цепочкой) с внутренней фольгой, чтобы позволить ей заряжаться. Банку заряжают электростатическим генератором или другим источником электрического заряда, подключенным к внутреннему электроду, в то время как внешняя фольга заземлена. На внутренней и внешней поверхностях банки хранятся одинаковые, но противоположные заряды.

Окончательная форма лейденской кувшины была создана в 1748 году двумя лондонскими докторами Уильямом Ватсоном и Джоном Бевисом.Они оба отказались от жидкости и покрыли внутреннюю и внешнюю стенки бутылки оловянной фольгой. Гданьский физик Даниэль Гралат Старший впервые соединил несколько лейденских бутылок, чтобы сформировать батарею, и, таким образом, смог усилить эффект, соединив их параллельно.

… а теперь что с ним делать?

Во время публичных демонстраций электричества, которые были популярны в 18-м и до начала 19-го века, также был продемонстрирован « Kleistian shock », в котором из лейденской банки ударили человеческую цепь, в результате чего испытуемые дергаться.Эти эксперименты оставались популярными даже после того, как нюрнбергский учитель математики Иоганн Габриэль Доппельмайр умер в 1750 году от удара лейденской банки.

В академическом поиске видео yovisto вы можете узнать больше о Лейденской бане и принципах физических конденсаторов из лекции профессора Уолтера Левина из Массачусетского технологического института «Поляризация и диэлектрики».

Ссылки и дополнительная литература:

• [1] Томас С. Кун, Структура научных революций (Чикаго, Иллинойс: University of Chicago Press, 1996), стр. 17.
• [2] Дин фон Клейст, в «Мемуарах Данцика», Vol. И., с. 407. Из книги Джозефа Пристли History of Electricity , London, 1775, pp. 83, 84
• [3] Отто фон Герике и ужас вакуума, SciHi Blog
• [4] Питер ван Мушенбрук и Лейденская банка, SciHi Blog
• [5] AS. Proc. verb., LXV (1746), 6. Цитируется в J. L. Heilbron, Electricity in 17-18 веков: исследование ранней современной физики (1979), 314.
• [6] Питер ван Мушенбрук, Wikidata
• [7] Эвальд Георг фон Клейст в Викиданных

Лейденская банка, изобретатели Лейденской банки | Эдубилла.com

Лейденская банка, или лейденская банка, — это устройство, которое «накапливает» статическое электричество между двумя электродами внутри и снаружи стеклянной банки. Это была оригинальная форма конденсатора (первоначально известного как «конденсатор»).

Он был изобретен независимо немецким священнослужителем Эвальдом Георгом фон Клейстом 11 октября 1745 года и голландским ученым Питером ван Мушенбруком из Лейдена (Лейден) в 1745–1746 годах. Изобретение было названо в честь города.

Лейденская банка использовалась для проведения многих ранних экспериментов с электричеством, и ее открытие имело фундаментальное значение для изучения электричества.Раньше для хранения заряда исследователям приходилось прибегать к изолированным проводникам больших размеров. Лейденская банка стала гораздо более компактной альтернативой.

Известным применением лейденской банки был эксперимент Бенджамина Франклина с воздушным змеем, в результате которого возникла фраза «улавливать молнию в бутылке».

Древние греки уже знали, что куски янтаря могут притягивать легкие частицы после того, как их натерли. Янтарь электризуется за счет трибоэлектрического эффекта, механического разделения заряда в диэлектрике.Греческое слово, обозначающее янтарь, — «электрон», и является источником слова «электричество».

Около 1650 года Отто фон Герике построил примитивный электростатический генератор: шар серы, вращающийся на валу. Когда Герике прижал руку к мячу и быстро повернул вал, возник статический электрический заряд. Этот эксперимент вдохновил на разработку нескольких форм «машин трения», которые очень помогли в изучении электричества.

Лейденская банка была обнаружена независимо двумя сторонами: немецким ученым и юристом Эвальдом Георгом фон Клейстом и голландскими учеными Питером ван Мушенбруком и Андреасом Кунеусом.Эти ученые разработали лейденский сосуд, работая над теорией электричества, которая рассматривала электричество как жидкость, и надеялись разработать сосуд, чтобы «улавливать» эту жидкость. В 1744 году фон Клейст облил стеклянный сосуд серебряной фольгой и зарядил фольга с помощью фрикционной машины. Клейст был убежден, что значительный электрический заряд может быть накоплен, когда он получил значительный ток от устройства. «Клейстианская банка» была независимо обнаружена примерно в то же время Питером ван Мушенбруком и его ассистентом Кунеусом из Лейденского университета, которые пытались зарядить кувшин с водой электричеством.Кюрей также получил тяжелое потрясение. Ван Мушенбрук сообщил об эксперименте французскому научному сообществу, и сосуд стал называться лейденским.