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萊頓瓶。原圖鏈接

萊頓瓶（英語:Leyden Jars，或稱萊頓罐），是一種古老的電氣組件 ，用於在玻璃罐內外的電導體之間存儲來自外部電源的高壓電荷。構造通常由一個玻璃瓶和一個金屬端子組成，該玻璃瓶的內外表面都有金屬箔，金屬端子垂直伸出瓶蓋，與內箔接觸，是電容器的原始形式。

概述

萊頓瓶被用來進行許多早期的電學實驗，它的發現對於靜電學研究具有根本的重要性，是積累和保存大量電荷的第一種方法，克服了對早期導電研究的重大限制。至今，萊頓瓶仍在教育中用於證明靜電原理。發明人是德國教士埃瓦爾德·喬治·馮·克萊斯特（Ewald Georg von Kleist）於1745年10月11日和荷蘭科學家萊頓 （Leyden）的彼得·範·穆申布羅克（ Pieter van Musschenbroek ）在1745–1746年獨立做出的發現，以發明地萊頓命名。

歷史記錄

古希臘人早已知道，琥珀碎片在被摩擦後會吸引輕質顆粒。琥珀色的希臘詞是ἤλεκτρον（“ēlektron”），是“電力”一詞的起源。琥珀由於摩擦電效應而帶電，[a]電介質中電荷的機械分離。

萊頓瓶有效地獨立發現來自於兩方：第一位發現者是德國執事埃瓦爾德·格奧爾格·馮·克萊斯特 ，荷蘭科學家彼得·範 ·穆申布羅克和安德烈亞斯·庫納烏斯則認為只有拿在手裡才能發揮作用。 1650年左右，奧托·馮·格里克（Otto von Guericke）建造了一個粗靜電發生器 ：一個在軸上旋轉的硫磺球。 當Guericke把手握在球上並快速轉動桿身時，會產生靜電荷。這個實驗激發了多種形式的“摩擦機器”的發展，對電力的研究有極大幫助。

它首先用於靜電實驗，後來用於高壓設備，例如火花隙無線電發射器和電療機。萊頓廣口瓶身是高壓設備的應用；據估早期的萊頓瓶最多可以充電到20,000至60,000伏。中心桿電極的末端有一個金屬球，可防止電暈放電，使電荷洩漏到空氣中。

馮·克萊斯特

埃瓦爾德·喬治·馮·克萊斯特（Ewald Georg von Kleist）在將電視為液體的理論下工作時，發現了萊頓廣口瓶的巨大儲存能力，並希望裝有酒精的玻璃廣口瓶能夠“捕獲”這種液體。他是波美拉尼亞卡明大教堂的執事，具傳教士的身份，然而卻在電力領域創造了傳奇。1745年10月，馮·克萊斯特（von Kleist）試圖在裝滿酒精的小藥瓶中蓄電，並在木塞中插入釘子。當時他正與喬治·馬蒂亞斯·玻色( Georg Matthias Bose）進行一項實驗，該實驗通過水輸送電能以點燃酒精。 他試圖用懸掛在摩擦機上方的大型導體（Bose發明）給瓶子充電。

克萊斯特堅信可以收集大量電荷並將其保持在玻璃中，他知道這將為“流體”的逃逸提供障礙。 當他不小心用軟木塞碰了釘子，而另一隻手仍在握著瓶子時，他從設備上受到了很大的震動。 在1745年11月至1746年3月的數封信中，他用至少幾封信將其結果傳達給了至少五位不同的電子實驗人員，但直到1746年4月，他才收到有關他們重複了他的結果的任何確認。丹尼爾·格拉拉斯（Daniel Gralath）了解了克萊斯特的看到1745年11月寫給Paul Swietlicki的信進行的實驗。在格拉拉特（Gralath）於1745年12月首次嘗試複製該實驗失敗後，他寫信給克萊斯特（Kleist），以獲取更多信息，並被告知，如果試管半滿，實驗會更好與酒精一起使用）。 Gralath（與Gottfried Reyger合作）於1746年3月5日成功獲得了預期的效果，一隻手拿著一個裝有釘子的小玻璃藥瓶，將其靠近靜電發生器，然後另一隻手移動靠近指甲。克萊斯特不明白他用雙手握著瓶子的重要性，並且當他和他的同事都被告知會把他們扔到整個房間時感到震驚，他和他的同事都不願拿著這個裝置。Kleist在萊登（Leyden）的學生助手花了一些時間才弄清楚，手持是不可缺少的元素。

Musschenbroek和Cunaeus

萊頓瓶的發明早已歸功於萊頓大學的物理學教授Pieter van Musschenbroek ，他還經營著一家鑄造黃銅大砲的鑄造廠，以及一家小企業（De Oosterse Lamp–“ Eastern Lamp”），適用於大學新物理課程和熱衷於建立自己的好奇心和儀器“櫃子”的科學紳士的醫療儀器 。

像克萊斯特（Kleist）一樣，穆申布羅克（Musschenbroek）也對嘗試重複玻色（Bose）的實驗感興趣。在這段時間裡，律師安德烈亞斯·庫納烏斯（Andreas Cunaeus）通過參觀Musschenbroek的實驗室來了解，庫納烏斯試圖用家用物品在家中他使用一杯啤酒複製該實驗。

當代最令人震撼的發明

庫納烏斯無法使其工作。庫納烏斯是第一個發現實驗裝置可能會給人帶來震撼的人，他在給瓶子充電時，握住他的瓶子而不是將其放在絕緣的架子上，沒有意識到這是標準做法，因此使他自己成為電路的一部分。 他向Musschenbroek的同事Allamand報告了他的程序和經驗。Allamand和Musschenbroek也受到了極大的震驚。Musschenbroek在1746年1月20日給RenéAntoine Ferchault deRéaumur的一封信中傳達了該實驗， RenéAntoine Ferchault deRéaumur是Musschenbroek在巴黎學院的指定通訊員。阿貝·諾萊特（AbbéNollet）閱讀了這份報告，確認了實驗，然後在1746年4月於巴黎學院的一次公開會議上閱讀了穆申布魯克的信（從拉丁語譯成法語）。

Musschenbroek在法國出售其公司“櫃子”設備的商店是AbbéNollet（他於1735年開始製造和銷售重複的樂器）。 然後，諾列特給蓄電裝置起了個名字“萊頓瓶”，並將其作為特殊類型的燒瓶推廣到他富有科學好奇心的富人市場。 因此，“克萊斯特瓶”（Kleistian jar）被推廣為萊頓瓶（Leyden jar） ，並被皮特·範 ·穆申布羅克（ Pieter van Musschenbroek）和他的熟人安德烈亞斯·庫納烏斯（Andreas Cunaeus）發現。 然而，Musschenbroek從未聲稱自己是發明的，並且有些人認為提到庫納烏斯只是為了減少對他的信任。

進展

在Musschenbroek報告了如何可靠地創建萊頓瓶的幾個月後，其他電氣研究人員正在製作和試驗自己的萊頓瓶。大家感到興趣的是，是否會增加總費用?

世界首度出現“電池”這個名詞

約翰·海因里希·溫克勒 （ Johann Heinrich Winckler）在1746年5月29日給皇家學會的一封信中報告了他第一次使用萊頓瓶的初次經歷，1746年7月28日他用一種靜電電池，將三個萊頓瓶連接在一起。丹尼爾·格拉斯（Daniel Gralath）在1747年，他在1746年進行了將兩個或三個罐子串聯的實驗 。1748年，班傑明·富蘭克林 （ Benjamin Franklin）則開發了一個系統，包括11塊玻璃板，每側粘貼有薄鉛板，然後將它們連接在一起的實驗。富蘭克林在兩年後，1749年在關於他的電氣研究的一封信中使用了“電池”一詞，描述了他的靜電電池的研究。富蘭克林對“ 電池 ”一詞的選擇，很可能是受其信結尾處幽默的文字遊戲所啟發，他在其中寫過關於用一連串槍，向電氣研究人員致敬的文章。 這是“ 電池 ”一詞的首次記錄使用。

在1746年至1748年期間，連接Leyden罐子的迅速發展導致在二手文獻中出現了許多不同的說法，即誰通過串聯或併聯萊頓瓶製造了第一個“電池”，以及誰首先使用“電池”一詞。該術語後來用於多個電化學電池的組合，術語“電池”的現代含義。

從1756年底開始，弗朗茲·埃皮努斯（Franz Aepinus）與約翰·威爾克（Johan Wilcke）進行了複雜的合作和獨立工作，通過使用空氣而不是玻璃作為電介質，開發了一種“空氣冷凝器”，這是萊頓啤酒瓶的一種變體。這種沒有玻璃的功能性儀器，對班傑明·富蘭克林（Benjamin Franklin）對萊登廣口瓶（Leyden jar）的解釋造成了問題，認為萊頓廣口瓶裝料位於玻璃中。

從18世紀末開始，萊頓瓶已在維多利亞州的電療醫學領域中用於通過電擊治療多種疾病。到19世紀中葉，萊頓瓶已經足夠普遍，作家可以假定讀者了解並了解其基本操作。在本世紀初，它開始廣泛用於火花隙變送器和醫療電療設備。到20世紀初，改進的電介質以及減小其尺寸以及在無線電新技術中使用不期望的電感和電阻的需求 ，導致萊頓瓶發展成為現代緊湊型電容器 。

設計

典型的設計包括一個玻璃瓶 ，其內外表面都塗有導電錫箔。鋁箔塗層會在罐口附近停止，以防止電荷在鋁箔之間產生電弧。金屬棒電極穿過瓶口處的塞子伸出，並通過某種方式（通常是吊鏈）電連接至內層箔，以便對其進行充電。瓶子由靜電發生器或其他電荷源充電，該靜電發生器或其他電荷源連接到內部電極，而外部箔片接地。廣口瓶的內表面和外表面存儲相等但相反的電荷。

該設備的原始形式只是一個裝滿水的玻璃瓶，一根金屬絲穿過軟木塞將其封閉。外板的作用是由實驗者的手來完成的。約翰·貝維斯（John Bevis）很快地在1747年發現可以在罐子的外部塗上金屬箔，並且他還發現，通過使用兩面都帶有金屬箔的玻璃板也可以達到同樣的效果。這些發展啟發了威廉·沃森在同一年發明了一種瓶罐，瓶罐的內部和外部都襯有金屬箔，從而減少了用水。

早期的實驗者（例如1746年的班傑明·威爾遜（Benjamin Wilson）報告說，電介質越薄且表面越大，可以累積的電荷就越大。靜電的進一步發展表明，介電材料不是必不可少的，但可以提高存儲能力（電容）並防止極板之間產生電弧。即使在真空中，相隔一小段距離的兩個極板也可以充當電容器。

費用的儲存

最初認為電荷是儲存在早期萊頓罐中的水中。在1700年代，美國政治家和科學家班傑明·富蘭克林對裝滿水的鋁箔和錫箔制的萊頓瓶進行了廣泛的研究，這使他得出結論，認為電荷是儲存在玻璃中而不是水中。他進行了一項流行的實驗，該實驗似乎證明了這一點，即在對廣口瓶進行充電後將其拆開，並表明在金屬板上幾乎找不到電荷，因此必須在電介質中 。該演示的第一個記錄實例是富蘭克林在1749年的一封信中。富蘭克林（Franklin）設計了一個“可分解的”萊頓罐 ，該罐被廣泛用於示威活動。廣口瓶是由玻璃杯製成的，玻璃杯嵌套在兩個非常貼合的金屬杯之間。當廣口瓶充滿電並仔細拆除時，發現所有零件都可以自由操作而無需將廣口瓶放電。如果重新組裝，則仍可能會產生較大的火花 。

該演示似乎表明電容器將電荷存儲在其電介質中。整個1800年代都教授這種理論。

但是，這種現像是萊頓廣口瓶上的高電壓引起的特殊效果。在可分解的萊登廣口瓶中，拆開廣口瓶時，電荷通過電暈放電轉移到玻璃杯的表面。這是因為瓶子重新組裝後殘留了電荷的來源。拆卸杯體時，不能提供足夠的接觸力以除去所有表面電荷。蘇打玻璃具有吸濕性，並在其表面形成部分導電的塗層。Addenbrooke（1922）發現，在由石蠟製成的可解剖的廣口瓶中，或在玻璃中烘烤以去除水分，電荷仍保留在金屬板上。Zeleny（1944）證實了這些結果，並觀察到電暈電荷轉移。

收費數量

最初，電容的量是在給定尺寸的“ 罐子 ”數量中或在整個塗層區域中測量的，並假設玻璃的標準厚度和成分合理。一品脫大小的典型萊頓廣口瓶的電容約為1 nF 。

剩餘電量

如果將已充電的萊頓廣口瓶通過內外塗層的短路而放電，然後靜置幾分鐘，則該廣口瓶將恢復之前的電量，並可以從中獲得第二次火花。通常，這可以重複進行，並且可以間隔一定間隔獲得一系列長度減少的4或5個火花。此效應是由介電吸收引起的。

串聯連接

在1747-1748年間，班傑明·富蘭克林 （ Benjamin Franklin）嘗試對Leyden罐子進行串聯充電。

視頻

強瘋來習-物理化學14-萊頓瓶放電趣味實驗

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