Jarra de Leyden - Leyden jar

Jarro de Leyden antigo cheio de água, consistindo em uma garrafa com uma ponta de metal através de sua rolha para fazer contato com a água
Mais tarde, tipo mais comum usando folha de metal, 1919

Uma jarra de Leyden (ou jarra de Leiden , ou arcaicamente, às vezes jarra kleistiana ) é um componente elétrico que armazena uma carga elétrica de alta voltagem (de uma fonte externa) entre os condutores elétricos no interior e no exterior de uma jarra de vidro. Normalmente consiste em um frasco de vidro com uma folha de metal cimentada nas superfícies interna e externa e um terminal de metal que se projeta verticalmente através da tampa do frasco para fazer contato com a folha interna. Era a forma original do capacitor (também chamado de condensador ).

Sua invenção foi uma descoberta feita independentemente pelo clérigo alemão Ewald Georg von Kleist em 11 de outubro de 1745 e pelo cientista holandês Pieter van Musschenbroek de Leiden (Leyden) em 1745-1746. A invenção recebeu o nome da cidade.

O jarro de Leyden foi usado para conduzir muitos experimentos iniciais em eletricidade, e sua descoberta foi de fundamental importância no estudo da eletrostática . Foi o primeiro meio de acumular e preservar carga elétrica em grandes quantidades que poderiam ser descarregadas à vontade do experimentador, superando assim um limite significativo para as primeiras pesquisas em condução elétrica. Os potes de Leyden ainda são usados ​​na educação para demonstrar os princípios da eletrostática.

História

Descoberta da jarra de Leyden no laboratório de Musschenbroek. A eletricidade estática produzida pelo gerador eletrostático de esfera de vidro giratório foi conduzida pela corrente, através da barra suspensa, até a água no vidro segurado pelo assistente Andreas Cunaeus. Uma grande carga acumulada na água e uma carga oposta na mão de Cuna no copo. Quando ele tocou o fio mergulhando na água, ele recebeu um choque poderoso.
Uma bateria de quatro potes de Leyden cheios de água, Museu Boerhaave , Leiden

Os antigos gregos já sabiam que pedaços de âmbar podiam atrair partículas leves após serem friccionados. O âmbar é eletrificado por efeito triboelétrico , separação mecânica de carga em um dielétrico . A palavra grega para âmbar é ἤλεκτρον ("ēlektron") e é a origem da palavra "eletricidade". Acredita-se que Tales de Mileto, um filósofo pré-socrático, tenha comentado acidentalmente sobre os fenômenos da carga eletrostática, devido à sua crença de que mesmo coisas sem vida têm uma alma, daí a analogia popular da centelha.

Por volta de 1650, Otto von Guericke construiu um gerador eletrostático bruto : uma bola de enxofre que girava em um eixo. Quando Guericke segurou a mão contra a bola e girou a haste rapidamente, uma carga de eletricidade estática se acumulou. Esta experiência inspirou o desenvolvimento de várias formas de "máquinas de fricção", que muito ajudaram no estudo da eletricidade.

O jarro de Leyden foi efetivamente descoberto de forma independente por duas partes: o diácono alemão Ewald Georg von Kleist , que fez a primeira descoberta, e os cientistas holandeses Pieter van Musschenbroek e Andreas Cunaeus, que descobriram como ele funcionava apenas quando segurado na mão.

O jar de Leyden é um dispositivo de alta voltagem; estima-se que, no máximo, os primeiros potes de Leyden poderiam ser carregados com 20.000 a 60.000 volts. O eletrodo de haste central tem uma esfera de metal na extremidade para evitar o vazamento da carga no ar por descarga corona . Foi usado pela primeira vez em experimentos eletrostáticos e, posteriormente, em equipamentos de alta tensão, como transmissores de rádio de centelha e máquinas de eletroterapia .

Von Kleist

Ewald Georg von Kleist descobriu a imensa capacidade de armazenamento da jarra de Leyden enquanto trabalhava com uma teoria que via a eletricidade como um fluido e esperava que uma jarra de vidro cheia de álcool "capturasse" esse fluido. Ele era o diácono da catedral de Camin, na Pomerânia.

Em outubro de 1745, von Kleist tentou acumular eletricidade em um pequeno frasco de remédio cheio de álcool com um prego inserido na rolha. Ele estava acompanhando um experimento desenvolvido por Georg Matthias Bose, onde eletricidade era enviada através da água para incendiar o álcool. Ele tentou carregar a garrafa de um grande condutor primário (inventado por Bose) suspenso acima de sua máquina de fricção.

Kleist estava convencido de que uma carga elétrica substancial poderia ser coletada e mantida dentro do vidro, a qual ele sabia que seria um obstáculo para o escape do "fluido". Ele recebeu um choque significativo do dispositivo quando acidentalmente tocou o prego através da rolha enquanto ainda segurava a garrafa com a outra mão. Ele comunicou seus resultados a pelo menos cinco experimentadores elétricos diferentes, em várias cartas de novembro de 1745 a março de 1746, mas não recebeu nenhuma confirmação de que eles haviam repetido seus resultados, até abril de 1746. Daniel Gralath soube da experiência de Kleist ao ver a carta a Paul Swietlicki, escrito em novembro de 1745. Depois da primeira tentativa fracassada de Gralath de reproduzir o experimento em dezembro de 1745, ele escreveu a Kleist pedindo mais informações (e foi informado de que o experimento funcionaria melhor se o tubo cheio até a metade com álcool fosse usado). Gralath (em colaboração com Gottfried Reyger  [ de ] ) conseguiu obter o efeito pretendido em 5 de março de 1746, segurando um pequeno frasco de remédio com um prego em uma das mãos, movendo-o perto de um gerador eletrostático e, em seguida, movendo a outra mão perto da unha. Kleist não entendeu o significado de sua mão regente segurando a garrafa - e tanto ele quanto seus correspondentes relutaram em segurar o dispositivo quando disseram que o choque poderia jogá-los do outro lado da sala. Demorou algum tempo até que os alunos associados de Kleist em Leyden descobrissem que a mão era um elemento essencial.

Musschenbroek e Cunaeus

A invenção do jarro de Leyden foi creditada por muito tempo a Pieter van Musschenbroek , o professor de física da Universidade de Leiden , que também dirigia uma fundição familiar que fundia canhões de latão, e um pequeno negócio ( De Oosterse Lamp - "The Eastern Lamp") que tornava científica e instrumentos médicos para os novos cursos universitários de física e para senhores cientistas interessados ​​em estabelecer seus próprios 'gabinetes' de curiosidades e instrumentos .

Ewald Kleist é considerado o primeiro a usar a analogia do fluido para eletricidade e demonstrou isso a Bose tirando faíscas da água com o dedo.

Como Kleist, Musschenbroek também se interessou e tentou repetir a experiência de Bose. Durante este tempo, Andreas Cunaeus, um advogado, aprendeu sobre este experimento visitando o laboratório de Musschenbroek e Cunaeus tentou duplicar o experimento em casa com utensílios domésticos. Usando um copo de cerveja, Cunaeus não conseguiu fazer funcionar.

Cunaeus foi o primeiro a descobrir que tal configuração experimental poderia causar um choque severo ao segurar seu pote na mão enquanto o carregava, em vez de colocá-lo em um suporte isolado, sem perceber que era a prática padrão, tornando-se assim parte do o circuito. Ele relatou seu procedimento e experiência a Allamand , colega de Musschenbroek. Allamand e Musschenbroek também receberam choques severos. Musschenbroek comunicou a experiência em uma carta de 20 de janeiro de 1746 a René Antoine Ferchault de Réaumur , que era o correspondente nomeado por Musschenbroek na Academia de Paris. O abade Nollet leu este relatório, confirmou a experiência e então leu a carta de Musschenbroek em uma reunião pública da Academia de Paris em abril de 1746 (tradução do latim para o francês).

O distribuidor de Musschenbroek na França para a venda dos dispositivos de 'gabinete' de sua empresa era o Abbé Nollet (que começou a construir e vender instrumentos duplicados em 1735). Nollet então deu ao dispositivo de armazenamento elétrico o nome de "jarra de Leyden" e o promoveu como um tipo especial de frasco para seu mercado de homens ricos com curiosidade científica. A "jarra Kleistian" foi, portanto, promovida como jarra de Leyden e como tendo sido descoberta por Pieter van Musschenbroek e seu conhecido Andreas Cunaeus. Musschenbroek, no entanto, nunca afirmou que o havia inventado, e alguns pensam que Cunaeus foi mencionado apenas para diminuir o crédito a ele.

Desenvolvimentos posteriores

Poucos meses após o relatório de Musschenbroek sobre como criar de forma confiável um jarro de Leyden, outros pesquisadores elétricos estavam fazendo e experimentando seus próprios jarros de Leyden. Um de seus interesses originais expressos era ver se o valor total possível poderia ser aumentado.

Johann Heinrich Winckler , cuja primeira experiência com uma única jarra de Leyden foi relatada em uma carta à Royal Society em 29 de maio de 1746, conectou três jarras Leyden em uma espécie de bateria eletrostática em 28 de julho de 1746. Em 1746, Abbé Nollet executou duas experiências para a edificação do rei Luís XIV da França, na primeira das quais ele descarregou uma jarra de Leyden por meio de 180 guardas reais e, na segunda, por meio de um número maior de monges cartuxos ; todos os quais saltaram no ar mais ou menos simultaneamente. As opiniões nem do rei nem dos sujeitos experimentais foram registradas. Daniel Gralath relatou em 1747 que em 1746 ele havia conduzido experimentos conectando dois ou três jarros, provavelmente em série . Em 1746-1748, Benjamin Franklin experimentou carregar potes de Leyden em série e desenvolveu um sistema envolvendo 11 painéis de vidro com placas de chumbo finas coladas em cada lado e depois conectadas. Ele usou o termo "bateria elétrica" ​​para descrever sua bateria eletrostática em uma carta de 1749 sobre sua pesquisa elétrica em 1748. É possível que a escolha de Franklin da palavra bateria tenha sido inspirada pelo jogo de palavras humorístico na conclusão de sua carta, onde ele escreveu , entre outras coisas, sobre uma saudação aos pesquisadores elétricos de uma bateria de armas . Este é o primeiro uso registrado do termo bateria elétrica . Os múltiplos e rápidos desenvolvimentos para conectar jarros de Leyden durante o período de 1746-1748 resultaram em uma variedade de relatos divergentes na literatura secundária sobre quem fez a primeira "bateria" conectando jarros de Leyden, fossem eles em série ou paralelos, e quem usou pela primeira vez o termo "bateria". O termo foi mais tarde usado para combinações de várias células eletroquímicas, o significado moderno do termo "bateria".

O físico, químico e meteorologista sueco Tobern Bergman traduziu muitos dos escritos de Benjamin Franklin sobre eletricidade para o alemão e continuou a estudar as propriedades eletrostáticas.

Começando no final de 1756, Franz Aepinus , em uma complicada interação de cooperação e trabalho independente com Johan Wilcke , desenvolveu um "condensador de ar", uma variação do jarro de Leyden, usando ar ao invés de vidro como dielétrico. Este aparelho funcional, sem vidro, criou um problema para a explicação de Benjamin Franklin sobre o jarro de Leyden, que afirmava que a carga estava localizada no vidro.

Começando no final do século 18, foi usado no campo médico vitoriano da eletroterapia para tratar uma variedade de doenças por choque elétrico. Em meados do século 19, o jarro de Leyden se tornou comum o suficiente para os escritores presumirem que seus leitores conheciam e entendiam seu funcionamento básico. Por volta da virada do século, ele começou a ser amplamente utilizado em transmissores de centelha e equipamentos médicos de eletroterapia . No início do século 20, dielétricos aprimorados e a necessidade de reduzir seu tamanho e indutância e resistência indesejadas para uso na nova tecnologia de rádio fizeram com que o jar de Leyden evoluísse para a forma compacta moderna de capacitor .

Projeto

Construção do jarro de Leyden.

Um projeto típico consiste em um frasco de vidro com uma folha de estanho condutora revestindo as superfícies interna e externa. Os revestimentos de folha metálica param antes da boca do frasco, para evitar que a carga crie um arco entre as folhas. Um eletrodo de haste de metal se projeta através da rolha não condutiva na boca do frasco, eletricamente conectado por algum meio (geralmente uma corrente suspensa) à folha interna, para permitir que seja carregada. O jarro é carregado por um gerador eletrostático , ou outra fonte de carga elétrica, conectado ao eletrodo interno enquanto a folha externa é aterrada . As superfícies interna e externa do frasco armazenam cargas iguais, mas opostas.

A forma original do dispositivo é apenas uma garrafa de vidro parcialmente cheia de água, com um fio de metal passando por uma rolha fechando-a. O papel da placa externa é fornecido pela mão do experimentador. Logo John Bevis descobriu (em 1747) que era possível revestir o exterior do frasco com folha de metal e também descobriu que poderia obter o mesmo efeito usando uma placa de vidro com folha de metal em ambos os lados. Esses desenvolvimentos inspiraram William Watson no mesmo ano a ter um frasco feito com um forro de folha de metal por dentro e por fora, dispensando o uso de água.

Os primeiros experimentadores (como Benjamin Wilson em 1746) relataram que quanto mais fino o dielétrico e maior a superfície, maior a carga que poderia ser acumulada.

Desenvolvimentos posteriores em eletrostática revelaram que o material dielétrico não era essencial, mas aumentou a capacidade de armazenamento ( capacitância ) e evitou o arco elétrico entre as placas. Duas placas separadas por uma pequena distância também atuam como um capacitor, mesmo no vácuo .

Armazenamento da carga

Jarra de Leyden "dissecável", 1876
Jar de medição de Leyden

Inicialmente, acreditava-se que a carga era armazenada na água nos primeiros potes de Leyden. No século XVIII, o estadista e cientista americano Benjamin Franklin realizou extensas investigações em potes de Leyden cheios de água e de alumínio, o que o levou a concluir que a carga estava armazenada no vidro, não na água. Um experimento popular, devido a Franklin, que parece demonstrar isso envolve desmontar um frasco depois de ter sido carregado e mostrar que pouca carga pode ser encontrada nas placas de metal e, portanto, deve estar no dielétrico . O primeiro exemplo documentado dessa demonstração está em uma carta de 1749 de Franklin. Franklin projetou uma jarra de Leyden "dissecável" (à direita) , que foi amplamente usada em demonstrações. O frasco é feito de um copo de vidro aninhado entre dois copos de metal bem ajustados. Quando o jarro é carregado com alta tensão e cuidadosamente desmontado, descobre-se que todas as peças podem ser manuseadas livremente sem descarregar o jarro. Se as peças forem remontadas, uma grande faísca ainda pode ser obtida a partir delas.

Esta demonstração parece sugerir que os capacitores armazenam sua carga dentro de seu dielétrico. Essa teoria foi ensinada ao longo de 1800. No entanto, esse fenômeno é um efeito especial causado pela alta tensão no jar de Leyden. No frasco dissecável de Leyden, a carga é transferida para a superfície do copo de vidro por descarga corona quando o frasco é desmontado; esta é a fonte da carga residual após o frasco ser remontado. Manusear o copo enquanto desmontado não fornece contato suficiente para remover toda a carga superficial. O vidro de soda é higroscópico e forma um revestimento parcialmente condutor em sua superfície, que retém a carga. Addenbrooke (1922) descobriu que em um frasco dissecável feito de cera de parafina, ou vidro cozido para remover a umidade, a carga permanecia nas placas de metal. Zeleny (1944) confirmou esses resultados e observou a transferência de carga corona.

Quantidade de carga

Originalmente, a quantidade de capacitância era medida em número de ' potes ' de um determinado tamanho, ou através da área total revestida, assumindo uma espessura e composição do vidro razoavelmente padrão. Um jarro de Leyden típico de meio litro tem uma capacitância de cerca de 1 nF .

Carga residual

Se um jarro de Leyden carregado for descarregado por curto-circuito nos revestimentos interno e externo e deixado por alguns minutos, o jarro recuperará parte de sua carga anterior e uma segunda faísca pode ser obtida a partir dele. Freqüentemente, isso pode ser repetido e uma série de 4 ou 5 faíscas, diminuindo de comprimento, pode ser obtida em intervalos. Este efeito é causado pela absorção dielétrica .

Veja também

Notas

Referências

links externos