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莱顿瓶。原图链接

莱顿瓶（英语:Leyden Jars，或称莱顿罐），是一种古老的电气组件 ，用于在玻璃罐内外的电导体之间存储来自外部电源的高压电荷。构造通常由一个玻璃瓶和一个金属端子组成，该玻璃瓶的内外表面都有金属箔，金属端子垂直伸出瓶盖，与内箔接触，是电容器的原始形式。

概述

莱顿瓶被用来进行许多早期的电学实验，它的发现对于静电学研究具有根本的重要性，是积累和保存大量电荷的第一种方法，克服了对早期导电研究的重大限制。至今，莱顿瓶仍在教育中用于证明静电原理。发明人是德国教士埃瓦尔德·乔治·冯·克莱斯特（Ewald Georg von Kleist）于1745年10月11日和荷兰科学家莱顿 （Leyden）的彼得·范·穆申布罗克（ Pieter van Musschenbroek ）在1745–1746年独立做出的发现，以发明地莱顿命名。

历史记录

古希腊人早已知道，琥珀碎片在被摩擦后会吸引轻质颗粒。琥珀色的希腊词是ἤλεκτρον（“ēlektron”），是“电力”一词的起源。琥珀由于摩擦电效应而带电，[a]电介质中电荷的机械分离。

莱顿瓶有效地独立发现来自于两方：第一位发现者是德国执事埃瓦尔德·格奥尔格·冯·克莱斯特 ，荷兰科学家彼得·范 ·穆申布罗克和安德烈亚斯·库纳乌斯则认为只有拿在手里才能发挥作用。 1650年左右，奥托·冯·格里克（Otto von Guericke）建造了一个粗静电发生器 ：一个在轴上旋转的硫磺球。 当Guericke把手握在球上并快速转动杆身时，会产生静电荷。这个实验激发了多种形式的“摩擦机器”的发展，对电力的研究有极大帮助。

它首先用于静电实验，后来用于高压设备，例如火花隙无线电发射器和电疗机。莱顿广口瓶身是高压设备的应用；据估早期的莱顿瓶最多可以充电到20,000至60,000伏。中心杆电极的末端有一个金属球，可防止电晕放电，使电荷泄漏到空气中。

冯·克莱斯特

埃瓦尔德·乔治·冯·克莱斯特（Ewald Georg von Kleist）在将电视为液体的理论下工作时，发现了莱顿广口瓶的巨大储存能力，并希望装有酒精的玻璃广口瓶能够“捕获”这种液体。他是波美拉尼亚卡明大教堂的执事，具传教士的身份，然而却在电力领域创造了传奇。1745年10月，冯·克莱斯特（von Kleist）试图在装满酒精的小药瓶中蓄电，并在木塞中插入钉子。当时他正与乔治·马蒂亚斯·玻色( Georg Matthias Bose）进行一项实验，该实验通过水输送电能以点燃酒精。 他试图用悬挂在摩擦机上方的大型导体（Bose发明）给瓶子充电。

克莱斯特坚信可以收集大量电荷并将其保持在玻璃中，他知道这将为“流体”的逃逸提供障碍。 当他不小心用软木塞碰了钉子，而另一只手仍在握著瓶子时，他从设备上受到了很大的震动。 在1745年11月至1746年3月的数封信中，他用至少几封信将其结果传达给了至少五位不同的电子实验人员，但直到1746年4月，他才收到有关他们重复了他的结果的任何确认。丹尼尔·格拉拉斯（Daniel Gralath）了解了克莱斯特的看到1745年11月写给Paul Swietlicki的信进行的实验。在格拉拉特（Gralath）于1745年12月首次尝试复制该实验失败后，他写信给克莱斯特（Kleist），以获取更多信息，并被告知，如果试管半满，实验会更好与酒精一起使用）。 Gralath（与Gottfried Reyger合作）于1746年3月5日成功获得了预期的效果，一只手拿著一个装有钉子的小玻璃药瓶，将其靠近静电发生器，然后另一只手移动靠近指甲。克莱斯特不明白他用双手握著瓶子的重要性，并且当他和他的同事都被告知会把他们扔到整个房间时感到震惊，他和他的同事都不愿拿著这个装置。Kleist在莱登（Leyden）的学生助手花了一些时间才弄清楚，手持是不可缺少的元素。

Musschenbroek和Cunaeus

莱顿瓶的发明早已归功于莱顿大学的物理学教授Pieter van Musschenbroek ，他还经营著一家铸造黄铜大炮的铸造厂，以及一家小企业（De Oosterse Lamp–“ Eastern Lamp”），适用于大学新物理课程和热衷于建立自己的好奇心和仪器“柜子”的科学绅士的医疗仪器 。

像克莱斯特（Kleist）一样，穆申布罗克（Musschenbroek）也对尝试重复玻色（Bose）的实验感兴趣。在这段时间里，律师安德烈亚斯·库纳乌斯（Andreas Cunaeus）通过参观Musschenbroek的实验室来了解，库纳乌斯试图用家用物品在家中他使用一杯啤酒复制该实验。

当代最令人震撼的发明

库纳乌斯无法使其工作。库纳乌斯是第一个发现实验装置可能会给人带来震撼的人，他在给瓶子充电时，握住他的瓶子而不是将其放在绝缘的架子上，没有意识到这是标准做法，因此使他自己成为电路的一部分。 他向Musschenbroek的同事Allamand报告了他的程序和经验。Allamand和Musschenbroek也受到了极大的震惊。Musschenbroek在1746年1月20日给RenéAntoine Ferchault deRéaumur的一封信中传达了该实验， RenéAntoine Ferchault deRéaumur是Musschenbroek在巴黎学院的指定通讯员。阿贝·诺莱特（AbbéNollet）阅读了这份报告，确认了实验，然后在1746年4月于巴黎学院的一次公开会议上阅读了穆申布鲁克的信（从拉丁语译成法语）。

Musschenbroek在法国出售其公司“柜子”设备的商店是AbbéNollet（他于1735年开始制造和销售重复的乐器）。 然后，诺列特给蓄电装置起了个名字“莱顿瓶”，并将其作为特殊类型的烧瓶推广到他富有科学好奇心的富人市场。 因此，“克莱斯特瓶”（Kleistian jar）被推广为莱顿瓶（Leyden jar） ，并被皮特·范 ·穆申布罗克（ Pieter van Musschenbroek）和他的熟人安德烈亚斯·库纳乌斯（Andreas Cunaeus）发现。 然而，Musschenbroek从未声称自己是发明的，并且有些人认为提到库纳乌斯只是为了减少对他的信任。

进展

在Musschenbroek报告了如何可靠地创建莱顿瓶的几个月后，其他电气研究人员正在制作和试验自己的莱顿瓶。大家感到兴趣的是，是否会增加总费用?

世界首度出现“电池”这个名词

约翰·海因里希·温克勒 （ Johann Heinrich Winckler）在1746年5月29日给皇家学会的一封信中报告了他第一次使用莱顿瓶的初次经历，1746年7月28日他用一种静电电池，将三个莱顿瓶连接在一起。丹尼尔·格拉斯（Daniel Gralath）在1747年，他在1746年进行了将两个或三个罐子串联的实验 。1748年，班杰明·富兰克林 （ Benjamin Franklin）则开发了一个系统，包括11块玻璃板，每侧粘贴有薄铅板，然后将它们连接在一起的实验。富兰克林在两年后，1749年在关于他的电气研究的一封信中使用了“电池”一词，描述了他的静电电池的研究。富兰克林对“ 电池 ”一词的选择，很可能是受其信结尾处幽默的文字游戏所启发，他在其中写过关于用一连串枪，向电气研究人员致敬的文章。 这是“ 电池 ”一词的首次记录使用。

在1746年至1748年期间，连接Leyden罐子的迅速发展导致在二手文献中出现了许多不同的说法，即谁通过串联或并联莱顿瓶制造了第一个“电池”，以及谁首先使用“电池”一词。该术语后来用于多个电化学电池的组合，术语“电池”的现代含义。

从1756年底开始，弗朗兹·埃皮努斯（Franz Aepinus）与约翰·威尔克（Johan Wilcke）进行了复杂的合作和独立工作，通过使用空气而不是玻璃作为电介质，开发了一种“空气冷凝器”，这是莱顿啤酒瓶的一种变体。这种没有玻璃的功能性仪器，对班杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）对莱登广口瓶（Leyden jar）的解释造成了问题，认为莱顿广口瓶装料位于玻璃中。

从18世纪末开始，莱顿瓶已在维多利亚州的电疗医学领域中用于通过电击治疗多种疾病。到19世纪中叶，莱顿瓶已经足够普遍，作家可以假定读者了解并了解其基本操作。在本世纪初，它开始广泛用于火花隙变送器和医疗电疗设备。到20世纪初，改进的电介质以及减小其尺寸以及在无线电新技术中使用不期望的电感和电阻的需求 ，导致莱顿瓶发展成为现代紧凑型电容器 。

设计

典型的设计包括一个玻璃瓶 ，其内外表面都涂有导电锡箔。铝箔涂层会在罐口附近停止，以防止电荷在铝箔之间产生电弧。金属棒电极穿过瓶口处的塞子伸出，并通过某种方式（通常是吊链）电连接至内层箔，以便对其进行充电。瓶子由静电发生器或其他电荷源充电，该静电发生器或其他电荷源连接到内部电极，而外部箔片接地。广口瓶的内表面和外表面存储相等但相反的电荷。

该设备的原始形式只是一个装满水的玻璃瓶，一根金属丝穿过软木塞将其封闭。外板的作用是由实验者的手来完成的。约翰·贝维斯（John Bevis）很快地在1747年发现可以在罐子的外部涂上金属箔，并且他还发现，通过使用两面都带有金属箔的玻璃板也可以达到同样的效果。这些发展启发了威廉·沃森在同一年发明了一种瓶罐，瓶罐的内部和外部都衬有金属箔，从而减少了用水。

早期的实验者（例如1746年的班杰明·威尔逊（Benjamin Wilson）报告说，电介质越薄且表面越大，可以累积的电荷就越大。静电的进一步发展表明，介电材料不是必不可少的，但可以提高存储能力（电容）并防止极板之间产生电弧。即使在真空中，相隔一小段距离的两个极板也可以充当电容器。

费用的储存

最初认为电荷是储存在早期莱顿罐中的水中。在1700年代，美国政治家和科学家班杰明·富兰克林对装满水的铝箔和锡箔制的莱顿瓶进行了广泛的研究，这使他得出结论，认为电荷是储存在玻璃中而不是水中。他进行了一项流行的实验，该实验似乎证明了这一点，即在对广口瓶进行充电后将其拆开，并表明在金属板上几乎找不到电荷，因此必须在电介质中 。该演示的第一个记录实例是富兰克林在1749年的一封信中。富兰克林（Franklin）设计了一个“可分解的”莱顿罐 ，该罐被广泛用于示威活动。广口瓶是由玻璃杯制成的，玻璃杯嵌套在两个非常贴合的金属杯之间。当广口瓶充满电并仔细拆除时，发现所有零件都可以自由操作而无需将广口瓶放电。如果重新组装，则仍可能会产生较大的火花 。

该演示似乎表明电容器将电荷存储在其电介质中。整个1800年代都教授这种理论。

但是，这种现像是莱顿广口瓶上的高电压引起的特殊效果。在可分解的莱登广口瓶中，拆开广口瓶时，电荷通过电晕放电转移到玻璃杯的表面。这是因为瓶子重新组装后残留了电荷的来源。拆卸杯体时，不能提供足够的接触力以除去所有表面电荷。苏打玻璃具有吸湿性，并在其表面形成部分导电的涂层。Addenbrooke（1922）发现，在由石蜡制成的可解剖的广口瓶中，或在玻璃中烘烤以去除水分，电荷仍保留在金属板上。Zeleny（1944）证实了这些结果，并观察到电晕电荷转移。

收费数量

最初，电容的量是在给定尺寸的“ 罐子 ”数量中或在整个涂层区域中测量的，并假设玻璃的标准厚度和成分合理。一品脱大小的典型莱顿广口瓶的电容约为1 nF 。

剩馀电量

如果将已充电的莱顿广口瓶通过内外涂层的短路而放电，然后静置几分钟，则该广口瓶将恢复之前的电量，并可以从中获得第二次火花。通常，这可以重复进行，并且可以间隔一定间隔获得一系列长度减少的4或5个火花。此效应是由介电吸收引起的。

串联连接

在1747-1748年间，班杰明·富兰克林 （ Benjamin Franklin）尝试对Leyden罐子进行串联充电。

视频

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