Leydenin purkki — staattisen sähkön varasto ja ensimmäinen kondensaattori
Leydenin purkki: 1700‑luvun ensimmäinen kondensaattori — lasipullo, joka varastoi staattista sähköä ja mullisti sähkötutkimuksen.
Leydenin purkki (tai Leidenin purkki) on laite staattisen sähkön varastoimiseksi. Se on yleensä suuri lasipullo, jonka sisä- ja ulkopinta on vuorattu metallifoliolla tai muulla johtavalla pinnalla. Joissakin varhaisissa versioissa oli sisällä vettä johtavana kerroksena. Purkki kerää ja säilyttää sähkövarausta, ja pienistä kokeellisista generaattoreista huolimatta siihen voitiin koota huomattavia määriä varausta.
Historia ja keksintö
Ensimmäisenä sähköä varastoivan purkin keksi itsenäisesti Ewald von Kleist 11. lokakuuta 1745 ja lähes samanaikaisesti Leydenin yliopistossa Pieter van Musschenbroek ja hänen oppilaansa kehittivät vastaavan rakenteen. Von Kleist työskenteli Camminin katedraalin dekaanina Pommerissa, ja Musschenbroek toimi Leydenissä. Von Kleist yritti varastoida staattista sähköä lasipulloon, koska hän tiesi, että lasi on eriste.
Von Kleist kokeessa ulkopuolella oleva johtava pinta oli hänen oma kätensä, mikä yhdessä pullon sisällä olevan naulan kanssa mahdollisti suuren varauksen kertymisen. Kun hän vahingossa koski naulaan, vapautunut varaus aiheutti niin voimakkaan sähköiskun, että hänet heitti huoneen poikki. Von Kleist lähetti kuvauksensa edelleen kollegoilleen; yksi kopio päätyi Leydeniin Musschenbroekille, ja tämän välityksellä laite tuli tunnetuksi nimellä "Leydenin purkki".
Rakenne ja toimintaperiaate
Leydenin purkki koostuu kahdesta johtavasta kerroksesta, jotka on erotettu lasi- eli muovikerroksella toimivalla dielektrisellä materiaalilla. Tyypillisesti:
- sisäpuolella on metallifolio tai metallinen astia, johon varaus johdetaan (esim. naulan tai sauvan kautta),
- ulkopuolella on metallifolio, kalvo tai muu johtava pinta, joka usein yhdistetään maahan tai pidetään käsin,
- lasiseinä toimii dielektrisenä eristeenä, joka estää suoravirran johtamisen johtavien osien välillä.
Kun sisäiseen kerrokseen tuodaan varaus (esimerkiksi kitkageneraattorilla), syntyy sähköinen jännite sisä- ja ulkopinnan välille. Ulkopuolen ollessa maadoitettu tai yhteydessä isompaan johtavaan massaan, varaus pystyy kertymään tehokkaasti sisäpuolelle, koska ulkopuoli tarjoaa vastakkaisen varauksen lähteen. Von Kleistin tapauksessa hänen käsi toimi ulkopuolena johtavana pintana ja maayhteytenä.
Kapasitanssi ja varastoitunut energia
Leydenin purkin kyky varastoida varausta kuvataan sen kapasitanssilla C. Yksinkertaistetusti kapasitanssi kasvaa, jos johtavien pintojen pinta-ala on suuri, dielektriikan permittiivisyys on korkea ja niiden välinen etäisyys pieni. Tässä approksimatiivinen kaava tasaisille levyille:
C ≈ ε0 εr A / d,
missä ε0 on tyhjiön permittiivisyys, εr on lasin suhteellinen permittiivisyys, A on johtavien pintojen pinta-ala ja d niiden välinen etäisyys (lasin paksuus). Käytännössä Leydenin purkkien kapasitanssit ovat tyypillisesti hyvin pieniä verrattuna nykyisiin elektrolyyttisiin kondensaattoreihin — historian purkit ovat yleensä joitain pikofaradeja (pF) jopa nanofaradeihin (nF) riippuen koosta ja rakenteesta.
Purkkiin varastoitunut energia on E = 1/2 C V^2, missä V on purkin jännite. Tämä selittää, miksi purkista vapautuva kipinä tai iskukohta voi tuntua voimakkaalta — vaikka C olisi pieni, suuri jännite voi tuottaa merkittävän energian.
Käyttö, kokeilut ja turvallisuus
Leydenin purkit olivat 1700-luvulla keskeisiä sähköilmiöiden tutkimisessa: tutkijat tekivät kipinädemoja, mittasivat jännitteitä ja osoittivat, että sähköä voidaan varastoida erilliseen astiaan. Usein purkkeja liitettiin sarjaan tai rinnakkain, tai useita purkkeja yhdistettiin "purkkipatteriksi" suurempaa varauskapasiteettia varten. Tunnettuja sähköpaljastuksia tekivät mm. Benjamin Franklin ja muut ajan tutkijat.
Käytännön turvallisuusneuvoja:
- Älä koske purkin sähkön varausosiin ilman asianmukaista eristystä—koskettaminen voi aiheuttaa voimakkaan iskunkokemuksen.
- Purkin purkaminen ja varauksen turvallinen maadoitus tulee suorittaa suunnitellusti ja eristettyjen työkalujen avulla.
- Nykyään vastaavat kokeet suoritetaan usein erityisesti suunnitelluilla kondensaattoreilla ja suojavarustein.
Merkitys ja jälkivaikutus
Leydenin purkki oli ensimmäinen käytännöllinen sähkövarasto ja edelläkävijä nykyaikaisille kondensaattoreille (samaa termiä käytetään myös muualla tekstissä: kondensaattorit). Sen avulla tutkijat pystyivät systemaattisesti tutkimaan varauksen säilymistä, sähköisen eristymisen perusteita ja sähkön siirtymistä johtimien kautta. Leydenin purkin kehitys vaikutti myös siihen, että tutkijat alkoivat ymmärtää sähkön luonnetta ja kehittää mittausmenetelmiä sekä myöhemmin kemiallisia paristoja ja sähkögeneraattoreita.
Vaikka modernit kondensaattorit ovat teknisesti ja käytännöllisesti paljon kehittyneempiä, Leydenin purkki säilyy historiallisena ja opetuksellisena välineenä, jolla havainnollistetaan perusperiaatteita sähköstaattisesta varauksesta, dielektrisistä materiaaleista ja jännitteen vaikutuksesta.
Varhainen vedellä täytetty Leydenin purkki
Myöhemmin yleistynyt metallifoliota käyttävä tyyppi, 1919.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on Leydenin purkki?
A: Leydenin purkki (tai Leidenin purkki) on laite staattisen sähkön varastointiin. Se on suuri lasipullo, joka on yleensä vuorattu sekä sisä- että ulkopuolelta jonkinlaisella metallifoliolla. Joissakin varhaisemmissa oli sisällä vettä, jolloin kokeilijat pystyivät keräämään suuren määrän varausta. Niitä pidetään ensimmäisenä sähkövaraston muotona.
Kysymys: Kuka keksi ensimmäisen sähkövarastopurkin?
V: Ensimmäisen sähkövarastopurkin loi Ewald Georg von Kleist 11. lokakuuta 1745. Hän oli tuolloin Saksan pohjoisrannikolla Pommerissa sijaitsevan Camminin katedraalin dekaani.
K: Miten von Kleist loi keksintönsä?
V: Von Kleist käytti pientä kokeellista kitkageneraattoria ja ajatteli, että hän voisi vangita ja pitää pienen määrän staattista sähköä pullossa, koska hän tiesi, että sähkö ei kulje lasin läpi. Hän aliarvioi tuhansia kertoja sen, kuinka paljon sähköä pullo voisi todellisuudessa pitää sisällään.
Kysymys: Minkä erityispiirteen ansiosta sähkö voi edelleen virrata Leydenin purkkiin?
A: Sähkön erityispiirteen ansiosta se voi jatkaa virtaamista pulloon edellyttäen, että pullossa on sähköä johtava pinta, joka on kytketty maahan ja joka neutralisoi kaiken paineen, joka aiheutuu siitä, että varaus yrittää virrata takaisin ulos. Von Kleistin tapauksessa tämä sähköä johtava pinta oli vain hänen kätensä, mutta se riitti siihen, että hän sai sellaisen sähköiskun, kun hän kosketti vahingossa korkin läpi lyötyä naulaa, että se heitti hänet huoneen poikki.
K: Kuka antoi tälle keksinnölle nimen "Leydenin purkki"?
V: Pieter van Musschenbroek, joka oli tuolloin Leydenin yliopiston fysiikan pääprofessori, selvitti, että sen säilytyskapasiteetti parani huomattavasti vain kädessä pidettynä, ja lähetti tästä löydöstä kirjeitä ranskalaisille tiedemiehille, mistä nimi "Leydenin purkki" sai alkunsa.
Kysymys: Kuinka kauan tämä keksintö säilyi pääasiallisena sähkövarastointivälineenä?
V: Leydenin purkki pysyi pääasiallisena sähkövarastointivälineenä, kunnes kemialliset akut ja nykyaikaiset generaattorit keksittiin monia vuosia myöhemmin.
Etsiä