Обновлено: 08.07.2024

Способность накапливать заряды присуща и уединенным проводникам, и устройствам, называемым конденсаторами. После того как получена формула плоского конденсатора и дана формула емкости уединенного шара, я часто на уроках в 10-м классе предлагаю разобрать несколько задач из сборника задач А.В.Цингера [1].

№ 1116. Емкость конденсатора тем больше, чем больше поверхность обкладок и чем меньше расстояние между ними. Почему же для увеличения емкости лейденской банки не оклеивают станиолем всю ее поверхность доверху? Почему лейденские банки не делают из более тонкого стекла?

№ 1118. Диаметр основания лейденской банки D=15см, высота слоя станиоля h=25см, толщина стекла d=2мм (рис. 1). Диэлектрическая проницаемость стекла e =6. Вычислите приблизительно емкость этой банки и радиус R изолированного шара, который обладал бы такой емкостью.

Итак, диаметр шара, способного накопить заряд, какой накапливает банка, умещающаяся в руках, – примерно 65 м, что сравнимо с высотой 20-этажного дома. Так ученики получают наглядное представление о конденсаторе как о накопителе заряда.

Электрофорная машина – самый удивительный прибор из демонстрационного оборудования школьного кабинета. Стоит обратить внимание ребят на то, что возникающие мощные электрические искры связаны со способностью конденсаторов быстро накапливать и отдавать значительный электрический заряд (энергию). Именно возможность получать мощные электрические разряды заставила ученых XVIII в. обратить внимание на лейденскую банку – простейший конденсатор.

Рис. 2. Опыт Мушенбрука

Рис. 3. Пара лейденских банок, изготовленная студентами в 1890–1910 гг. Банки имеют разные наконечники – сферический и игольчатый. Скорее всего они использовались при изучении электрических разрядов в воздухе

Рис. 4. Батарея из девяти лейденских банок. При закорачивании раздается звук, как при выстреле батареи ружей

Рис. 5. Лейденская банка из Королевского шотландского музея в Эдинбурге

Литература

1. А.В.Цингер. Задачи и вопросы по физике. – ГОНТИ, 1938.
2. М.В.Ломоносов. Изъяснения, надлежащие к слову о электрических воздушных явлениях. /ПСС. Т. 3. Труды по физике. – М.–Л.: Изд. АН СССР, 1952.
3. М.Льоцци. История физики. – М.: Мир, 1970.
4. О.Н.Веселовский, Я.А.Шнейберг. Очерки по истории электротехники. – М.: Изд. МЭИ, 1993.
5. Л.Эйлер. Письма к немецкой принцессе о разных физических и философских материях./Письмо № 138. – СПб.: Наука, 2002.

Экспериментальные коллизии лейденского опыта

В 1913г. Петербургский университет получил нового сотрудника – физика А.Ф.Иоффе. При специальности инженера-технлога, имея склонность к научной работе, до этого он в течение нескольких лет трудился в Мюнхенском университете под руководством лучшего физика-экспериментатора Европы В.К.Рентгена. Там же он и защитил докторскую диссертацию.

Действительно, Дж.Томсон, первооткрыватель электрона, был крупным физиком. Но потом оказалось, что и А.Ф.Иоффе тоже умел задавать вопросы в науке и вся мировая полупроводниковая техника по сути началась с него. К тому же он явился организатором русской научной школы, учениками которой гордилась бы любая страна мира, среди которых И.В.Курчатов и нобелевские лауреаты Н.Н.Семёнов, П.Л.Капица.

Умение задавать природе вопросы и получать на них ответы с помощью эксперимента считается самым важным в жизни науки. А деятели, которые умеют это делать, как раз и являются выдающимися учеными. Но нее так уж и неправ был и О.Д.Хвольсон. Фундамент современной физики состоит из выводов работ первопроходцев, которые регулярно проверяются, перепроверяются, уточняются. В случае неподтверждения выводов рушатся целые разделы наук, а затем кропотливо возводятся новые стены, филиалов этой науки, которые ведут к новым открытиям, к новым построениям. Такой процесс длится столетиями и нет этому конца.

Здесь мы поведаем историю об эксперименте одного ученого, которого заинтересовал перспективный научный вопрос о физическом явлении и который пытался решить его с помощью простого и убедительного опыта, но приведшего к ситуации, называемой коллизией. Это тот случай, когда полученные результаты противоречат друг другу.

Никто не сможет назвать точную дату научного открытия того факта, что электрические заряды можно накапливать с помощью специальных устройств, впоследствии названных лейденскими банками и позже получивших свое развитие в приборах, именующихся электрическими конденсаторами. Но можно утверждать, что после 1745г. с помощью лейденской банки удалось выяснить высокую скорость распространения электричества, его влияние на организм человека и животных, возможность поджигания электрическими искрами горючих газов и т.д. Тысячи исследователей пытаются применить этот прибор для нужд народного хозяйства. Однако саму лейденскую банку почему-то никто и не пытается изучать.

Первый вопрос природе по самой банке задает великий американский ученый-самоучка Бенджамин Франклин. Напомним, что лейденская банка в то время представляла собой обыкновенную закупоренную бутылку с водой, в пробку которой был вставлен железный стержень, касающийся этой воды. Саму бутылку или держали в руках, или ставили на свинцовый лист. Таким и было всё её устройство.

Франклин задался вопросом выяснить, где же в этом простом аппарате из стекла металла и воды может накапливаться электричество. В железном стержне, воде или самой бутылке? Сейчас, когда существуют различные измерительные приборы и половина населения пользуется компьютерами, этот вопрос многих поставит в тупик. Посмотрим, как решалась эта задача в 1748г, когда единственным измерительным прибором был сам экспериментатор, пропускающий через себя болезненные электрические удары. Большей частью будем приводить описание экспериментов самим автором опытов, чтобы убедиться в их гениальной простоте.

Эксперименты с лейденской банкой были весьма эффектными и полностью отвечали идеям просвещенного абсолютизма, поэтому стали модными в высшем свете и в них принимали участие даже венценосные особы. А аббат Ж.А.Нолле даже занял пост официального электрика при короле Людовике XV. Он то и дал название прибору по имени университетского города Лейдена в Голландии, где скорее всего и был изобретен этот прибор.

Десяток лет экспериментов не пропали даром. Было точно установлено, что результаты опытов не зависят от состава воды (годилась любая). Более того, вместо воды в банку можно было насыпать свинцовую дробь или просто внутри ее укрепить свинцовую фольгу. На действие банки это не отражалось. Банки для усиления действия научились собирать в батареи.

Было установлено, что банки большего объема (следовательно, и с большей поверхностью стекла) давали более сильные разряды. А вот зависимость удара от толщины стекла была обратной. Более тонкие стекла давали более сильный разряд. Удивительно, что с помощью силы электрического удара исследователя, ученые довольно точно подошли к хорошо знакомой нам формуле емкости плоского конденсатора. Впоследствии историки науки в шутку назовут этот метод измерений ШОКМЕТРОМ. (От французского ШОК – удар, толчок).

Для объяснений электрических явлений в научной среде были выдвинуты несколько теорий, нашедших применение среди ученых. Среди них была и унитарная теория электричества, предложенная самим Франклином. Согласно этой теории электричество представляло собой некую невесомую жидкость, которая заполняла все тела. Если в телах было больше или меньше этой жидкости, то тело приобретало заряд. При избытке этой жидкости тело имело заряд положительный, при недостатке – отрицательный. Эта теория позже найдет свое развитие в электронной теории проводимости.

С помощью этой теории было легко объяснить явления, происходящие в конденсаторе (лейденской банке). При зарядке электрическая жидкость из одной обкладки конденсатора перетекает в другую обкладку. Следствием является положительный заряд одной обкладки и отрицательный другой. Стекло между ними служит только изолятором и ничем другим. Разрядить такой конденсатор легко. Достаточно замкнуть эти пластины проводником или телом человека. Но результаты опыта Франклина говорили о том, что заряд находится в стекле! Как же все это понимать?

Некоторые ученые, чтобы подтвердить правильность унитарной теории, пытались убрать из опыта стекло. Они заряжали два металлических бруска, которые висели рядом. Несомненно, что они представляли собой конденсатор, но без стекла. Увы, такой конденсатор экспериментатора током не ударял и вопрос оставался нерешенным.

Ф.Эпинус выслал в Америку свое сочинение специально для Франклина, но тот уже практически перестал заниматься исследованиями по электричеству, исключая практическое применение изобретенного им громоотвода. Он стал политиком. А Екатерина II отлучила от академической деятельности в России и Ф.Эпинуса. Она назначила его учителем физики для своего сына Павла, ставшего потом императором. А ведь он был приглашен в Петербург на смену погибшего при исследованиях атмосферного электричества Г.В.Рихмана. Так и получилось, что вопрос по поводу опытов с лейденской банкой оставался нерешенным еще долгое время.

Слева изображена лейденская банка в сборе. Буквами А, В и С обозначены ее составные части. А и В – это внутренняя и наружная обкладки банки. С – это стеклянный стакан, служащий диэлектриком. Такая банка в сборе заряжается при демонстрационном опыте, затем заряженная разбирается демонстратором в резиновых рукавицах. Для доказательства факта, что обкладки банки не имеют заряда, их контактируют друг с другом. Убеждаются, что искры нет. Затем банку собирают. К удивлению она оказывается снова заряженной и дает мощнейшую искру. Этот опыт ставил многих в тупик. А наука не терпит неясностей. Однако объяснение ситуации было дано только в 1922 году.

Ларчик, оказывается, открывался просто. Но ключик к нему искали почти 175 лет.

1.В.Франклин. Опыты и наблюдения над электричеством. М., АН СССР, 1956, Стр. 29-30.

2. Ф.У.Т.Эпинус. Теория электричества и магнетизма. М., АН СССР, 1951, Стр. 70-92.

3. Жорж Клод. Электричество для всех и каждого удобопонятно изложенное бывшего воспитанника школы химии и физики в Париже. Перевод с франц. С-Петербург, Издание В.И.Губинского. Год издания не указан. (1918)

Фон Клейст использует свои руки как проводники, чтобы зарядить прототип лейденской банки. Разумеется, его слегка бьет током. Дальнейшее развитие лейденской банки показало, что она так же прекрасно работает и без воды

Опасные опыты

В 1745 году немецкий ученый Эвальд Юрген фон Клейст покрыл внутреннюю часть стеклянной банки серебряной фольгой и налил воды. Он проверял идею заряжать воду через контакт электростатического генератора. Идея оказалась неудачной, но не без пользы для науки. Когда ученый прикоснулся к фольге рукой, он получил сильнейший и, без сомнения, опасный электрический удар. Но Клейст выжил и сообразил, что его банка определенно способна сохранять электричество. Но что с ним делать?

Лейденская банка действительно была первым электрическим конденсатором — устройством, которое состоит из двух проводящих пластин и собирает электроны. Пластины (листы фольги) разделены между собой изолятором (стеклом), как и в современных конденсаторах. Как только одна пластина (внутренняя фольга) получает электрический заряд, другая (внутренняя пластина или рука) приобретает тот же по величине и противоположный по знаку заряд. Если эти две пластины соединить, разница в зарядах исчезнет.

Флюиды из стекла и резины

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Описание презентации по отдельным слайдам:

ПЕРВЫЙ КОНДЕНСАТОР- ЛЕЙДЕНСКАЯ БАНКА

Очень важным шагом в развитии учения об электричестве было изобретение лейденской банки, т.е. электрического конденсатора. Лейденская банка была изобретена почти одновременно немецким физиком Клейстом и голландским физиком Мушенбруком в 1745 -1746 гг. Свое название она получила по имени города Лейдена, где Мушенбрук впервые проделал с ней опыты по изучению электрических явлений.

Мушенбрук так описывал свое изобретение в письме к французскому ученому Реомюру: «Хочу сообщить Вам новый, но ужасный опыт, который не советую повторять. Я занимался изучением электрической сипы.

Для этого я подвесил на двух шелковых голубых нитях железный ствол, получающий электричество от стеклянного шара, который быстро вращался вокруг оси и натирался руками. На другом конце висела медная проволока, конец которой был погружен в стеклянный круглый сосуд, заполненный наполовину водой, который я держал в правой руке; левой же рукой я пытался извлекать из электрического ствола искру. Вдруг моя правая рука была поражена ударом с такой силой, что все тело содрогнулось, как от удара молнии.

Этот конденсатор имеет форму банки, т. е. цилиндра с более или менее широким горлом или же просто цилиндра, обыкновенно стеклянного. Банка обклеена листовым оловом снаружи и внутри (наружная и внутренняя обкладки) примерно до 2/3 высоты и прикрыта деревянной крышкой, сквозь которую проходит проволока с цепочкой, частью ложащейся на дно банки, тоже оклеенное оловом внутри и снаружи.

Банка может не иметь внутренней обсадки, но тогда в ней должна быть жидкость, например вода; банка может не иметь и внешней обкладки, но в таком случае при заряжении надо ее обхватить ладонями рук.

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.

Вскоре появилась лейденская банка с фольговыми обкладками, а к концу 1746 года она приобрела вид законченного лабораторного прибора.

• подготовка к ЕГЭ/ОГЭ и ВПР
• по всем предметам 1-11 классов

Курс повышения квалификации

Дистанционное обучение как современный формат преподавания

• Сейчас обучается 922 человека из 80 регионов

Курс повышения квалификации

Инструменты онлайн-обучения на примере программ Zoom, Skype, Microsoft Teams, Bandicam

• Курс добавлен 31.01.2022
• Сейчас обучается 28 человек из 18 регионов

Курс повышения квалификации

Педагогическая деятельность в контексте профессионального стандарта педагога и ФГОС

• Для учеников 1-11 классов и дошкольников
• Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Дистанционные курсы для педагогов

Найдите материал к любому уроку, указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:

5 612 897 материалов в базе

Материал подходит для УМК

§ 66. Электрическая ёмкость. Энергия заряженного конденсатора

• ЗП до 91 000 руб.
• Гибкий график
• Удаленная работа

Самые массовые международные дистанционные

Школьные Инфоконкурсы 2022

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Другие материалы

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

• 18.05.2018 3951
• PPTX 1.4 мбайт
• 110 скачиваний
• Рейтинг: 4 из 5
• Оцените материал:

Настоящий материал опубликован пользователем Борисенко Марина Алексеевна. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт

Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.

Автор материала

40%

• Подготовка к ЕГЭ/ОГЭ и ВПР
• Для учеников 1-11 классов

Московский институт профессиональной
переподготовки и повышения
квалификации педагогов

Дистанционные курсы
для педагогов

663 курса от 690 рублей

Выбрать курс со скидкой

Выдаём документы
установленного образца!

Учителя о ЕГЭ: секреты успешной подготовки

Время чтения: 11 минут

Новые курсы: преподавание блогинга и архитектуры, подготовка аспирантов и другие

Время чтения: 16 минут

ГИА для школьников, находящихся за рубежом, может стать дистанционным

Время чтения: 1 минута

Время чтения: 2 минуты

Школы граничащих с Украиной районов Крыма досрочно уйдут на каникулы

Время чтения: 0 минут

Минтруд предложил упростить направление маткапитала на образование

Время чтения: 1 минута

Рособрнадзор предложил дать возможность детям из ДНР и ЛНР поступать в вузы без сдачи ЕГЭ

Время чтения: 1 минута

Подарочные сертификаты

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.

Читайте также:

  
• Изменение и отмена нормативных правовых актов кратко
  
• История франции кратко презентация
  
• Общая характеристика законов ману и артхашастры кратко
  
• Оценка эффективности работы учителя по экологическому образованию в начальной школе
  
• Принцип верификации в философии кратко