Leydenov kozarec: prvi kondenzator za shranjevanje elektrike
Leydenov kozarec (tudi Leidenov kozarec) je zgodnja naprava za shranjevanje statične elektrike. V osnovi gre za steklenico ali kozarec, katerega notranja in zunanja stran sta običajno obloženi s kovinsko folijo ali prevodnim slojem; v nekaterih zgodnjih izvedbah je bila notranjost napolnjena z vodo. S takšno napravo lahko eksperimentator zbere in zadrži veliko količino naboja ter jo ob sprostitvi sproži v obliki iskrenja.
Konstrukcija in delovanje
Leydenov kozarec predstavlja praktičen primer kondenzatorja: dve prevodni plasti ločeni z nevodnim dielektrikom (steklo). Notranjo prevodno plast običajno tvori kovinska folija ali tekočina v notranjosti, zunanjo pa zunanji sloj folije ali le prevodna površina steklenice. Ko kozarec polnimo z nabojem, se na notranji površini nabere naboj ene polaritete, na zunanji pa nasprotne polaritete; steklo med njima deluje kot dielektrik in preprečuje neposreden tok do izenačenja.
Kapaciteta takšnega kondenzatorja je odvisna od površine prevodnih slojev, debeline in dielektrične konstante stekla ter oddaljenosti med prevodnima slojema. Če je zunanja prevodna plast povezana z zemljo (npr. z držanjem v roki ali z ozemljitvijo), se omogoči nabiranju nasprotnih nabojev na zunanji strani in s tem poveča skupni zbrani naboj — kar je zgodnjim eksperimentatorjem pogosto omogočilo presenetljivo velike izpuste ob kratkem stiku.
Zgodovina odkritja
Prvi takšen kozarec za shranjevanje elektrike je 11. oktobra 1745 izdelal dekan Ewald von Kleist. Bil je dekan v Camminu v Pomeraniji. Von Kleist je eksperimentiral z idejo, da je mogoče statično elektriko "ujeti" v steklenici, saj je vedel, da steklo ne prevaja elektrike. V enem izmed poskusov je skozi pluto v stekleničko zabil žebelj in med polnjenjem držal steklenico v roki — njegova roka je igrala vlogo zunanje prevodne plasti. Ko se je nesrečno dotaknil žeblja, je doživel močan električni sunek, kar je pritegnilo pozornost drugih naravoslovcev.
Von Kleist je opis poslal nekaterim sodelavcem v Berlin in tudi Andreasu Cunaeusu; čeprav je bil njegov opis šifriran, je ena kopija prispela v roke Pieterja van Musschenbroeka, profesorja fizike na univerzi v Leydnu. Musschenbroek je napravo preizkusil in v pismu francoskemu znanstveniku opis objavil, pri čemer se je v literaturi uveljavil izraz "leydenska bučka" oziroma Leyden jar (od mesta Leiden), po katerem je naprava dobila svoje ime.
Pomen in uporaba
Leydenov kozarec je bil več desetletij glavno orodje za shranjevanje električne energije in ključen pri razvoju zgodnjih raziskav elektricitete. Uporabljali so ga za preučevanje izpustov, iskrenja in lastnosti naboja ter za demonstracijo električnih pojavov. Znanstveniki, kot je bil Benjamin Franklin, so Leydenove kozarce uporabljali pri svojih poskusih in tako pripomogli k razumevanju električnih principov.
Za večje napetosti so več kozarcev povezovali v serije ali vzporedno, da so povečali nazivno napetost ali skupno kapaciteto. Leydenovi kozarci so bili praktični in dovolj robustni za takratne eksperimente, dokler jih niso postopno nadomestile sodobnejše oblike kondenzatorjev in izumi, kot je kemična baterija ter električni generatorji.
Varnost in zanimivosti
Samo ime "jar" (kozarec) ne kaže na varnost — izpusti iz Leydenovega kozarca so lahko zelo močni. Zgodnje zgodbe o raziskovalcih, ki so bili odvrženi ali omedleli ob dotiku priključkov, so prispevale k razumevanju, da je treba z nabitimi kondenzatorji ravnati previdno. Danes se zaradi tveganja poškodb za praktične demonstracije uporabljajo nadzorovane naprave in zaščitna oprema.
Tehnična pojasnila
Moderna razlaga Leydenovega kozarca pojasni, da se največ naboja shrani na površinah prevodnikov, ne pa v samem steklu. Steklo kot dielektrik povečuje kapaciteto glede na zrak, hkrati pa preprečuje neposreden prehod toka. Z razvojem elektromagnetizma in uvedbo enote kapacitete (farad) so fiziki dobili orodja za natančno merjenje in načrtovanje kondenzatorjev, katere princip izhaja iz istega osnovnega delovanja kot Leydenov kozarec.
Sklep: Leydenov kozarec je pomemben zgodovinski instrument, ki je prvi učinkovito omogočil shranjevanje in sproščanje električnega naboja ter odigral ključno vlogo pri oblikovanju zgodnjih spoznanj v elektriki in elektrotehniki.
Zgodnji leydenski kozarec, napolnjen z vodo
Pozneje pogostejša vrsta s kovinsko folijo, 1919
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je leydenski kozarec?
O: Leydenov kozarec (ali Leidenov kozarec) je naprava za shranjevanje statične elektrike. Gre za veliko stekleno steklenico, ki je navadno znotraj in zunaj obložena z neko vrsto kovinske folije. Nekateri zgodnji kozarci so imeli v notranjosti vodo, kar je eksperimentatorjem omogočilo zbiranje velike količine naboja. Veljajo za prvo obliko shranjevanja električne energije.
V: Kdo je izumil prvi kozarec za shranjevanje električne energije?
O: Prvi kozarec za shranjevanje elektrike je 11. oktobra 1745 izdelal Ewald Georg von Kleist. Takrat je bil dekan katedrale v Camminu v Pomeraniji na severni obali Nemčije.
V: Kako je von Kleist ustvaril svoj izum?
O: Von Kleist je uporabil majhen eksperimentalni generator trenja in menil, da bi lahko zajel in zadržal majhno količino statične elektrike v steklenici, saj je vedel, da elektrika ne more prehajati skozi steklo. Tisočkrat je podcenil, koliko elektrike lahko dejansko zadrži.
V: Katera posebnost omogoča, da elektrika še naprej teče v Leydenovo posodo?
O: Posebnost elektrike omogoča, da še naprej teče v steklenico, če je z zemljo povezana električno prevodna površina, ki nevtralizira pritisk naboja, ki se poskuša vrniti v steklenico. V von Kleistovem primeru je bila ta električno prevodna površina samo njegova roka, vendar je bilo to dovolj, da je dobil tak električni šok, ko se je po naključju dotaknil žeblja, zabodenega skozi pluto, da ga je vrglo čez sobo.
V: Kdo je dal temu izumu ime "leydenski kozarec"?
O: Pieter van Musschenbroek, ki je bil takrat glavni profesor fizike na Univerzi v Leydnu, je ugotovil, da je njegova zmogljivost shranjevanja bistveno večja le, če ga držimo v roki, in o tem odkritju poslal pisma znanstvenikom v Francijo, zaradi česar je dobil ime "Leyden Jar".
V: Kako dolgo je ta izum ostal glavno orodje za shranjevanje električne energije?
O: Leydenov kozarec je ostal glavno orodje za shranjevanje električne energije, dokler niso bile veliko let pozneje izumljene kemične baterije in sodobni generatorji.
