Leideni purk

Leideni purk on seade, mis "salvestab" staatilist elektrit kahe elektroodi vahel, millest üks on klaaspurgi sees ja teine väljaspool purki. See oli algeline kondensaator.
Leideni purgi leiutasid teineteisest sõltumatult saksa vaimulik Ewald Georg von Kleist 11. oktoobril 1745 ja hollandi teadlane Pieter van Musschenbroek Leidenist 1745–1746. Leiutis sai nime Leideni linna järgi.
Leideni purgi abil tehti palju varajasi elektrialaseid katseid ning selle avastamine oli elektri uurimisel põhjapaneva tähtsusega. Varem pidid elektri uurijad elektrilaengu säilitamiseks kasutama suurte mõõtmetega elektrijuhte; Leideni purk oli palju kompaktsem.
Leideni purki kasutas Benjamin Franklin kuulsas tuulelohekatses, mida nimetati välgu pudelisse püüdmiseks.

Ajalugu

Juba Vana-Kreekas teati, et merevaigutükid võivad pärast hõõrumist kergeid osakesi külge tõmmata. Merevaik elektriseerub laengu mehaanilise lahutamise tõttu dielektrikus (hõõrdeelekter). Elekter ongi nime saanud merevaigu vanakreekakeelse nimetuse (ēlektron) järgi.
Umbes 1650 ehitas Otto von Guericke algelise elektrostaatilise generaatori: võlli otsas pöörleva väävelkera. Kui Guericke hoidis kätt kera vastas ja pööras kiiresti võlli, tekkis staatiline elektrilaeng. See katse inspireeris mitmesuguste "hõõrdemasinate" konstrueerimist, mis aitas elektri uurimisele palju kaasa.
Leideni purgi idee avastasid korraga saksa teadlane ja jurist Ewald Georg von Kleist ning hollandlased Pieter van Musschenbroek ja Andreas Cunaeus. Nad konstrueerisid Leideni purgi, lähtudest teooriast, mille järgi elekter on fluidum, ning lootsid selle fluidumi purki "kätte saada". Aastal 1744 ääristas von Kleist klaaspurgi hõbefooliumiga ning laadis fooliumi hõõrdemasinaga. Kui Kleist sai seadmelt tugeva löögi, veendus ta, et nii on võimalik koguda suur elektrilaeng. Selle Kleisti purgi efektid avastasid sõltumatult umbes samal ajal hollandi teadlased Pieter van Musschenbroek ja Andreas Cunaeus Leideni Ülikoolist. Van Musschenbroek pidas selle kohta kirjavahetust Prantsusmaa teadlastega, kes hakkasid seda nimetama Leideni purgiks.
rööpühenduses kondensaatorite patareiks, et suurendada võimalikku säilitatavat laengut. Sõna battery ('patarei') võttis selles tähenduses kasutusele Benjamin Franklin, kes võrdles seda suurtükipatareiga (ühte kohta kogutud suurtükid). Hiljem kasutati seda terminit mitme keemiliste vooluallikate kombinatsiooni kohta. 19. sajandi keskpaigaks oli Leideni purk saanud nii tavaliseks, et eeldati, et lugejad on selle tööpõhimõttega tuttavad.
20. sajandi vahetusel hakati Leideni purki laialdaselt kasutama sädesaatjates ja elektriraviseadmetes. 20. sajandi alguseks viis paremate dielektrikute kasutuselevõtt ning vajadus vähendada soovimatut induktiivsust ja elektritakistust raadiotehnika tarbeks tänapäevaste kompaktsete kondensaatorite tekkeni.

Konstruktsioon

Tüüpilises konstruktsioonis kasutatakse klaaspurki, mille sise- ja välispind on kaetud elektrit juhtiva tinafooliumiga. Purgi suust veidi allpool fooliumkate lõpeb, et fooliumide vahel ei tekiks kaarlahendust. Läbi purgisuul oleva korgi on pandud metallvardast elektrood, mis on mingil viisil (tavaliselt rippuva keti kaudu) elektriliselt ühendatud seesmise fooliumiga, et seda laadida. Purki laeb elektrostaatiline generaator või muu elektriallikas, mis on ühenduses sisemise elektroodiga, väline elektrood on aga maandatud. Purgi sise- ja välispind säilitavad võrdseid, kuid vastandmärgilisi laenguid.
Leideni purk oli algsel kujul lihtsalt osaliselt veega täidetud klaaspudel, mida sulgevat korki läbis metalltraat. Välise plaadi rollis oli katse läbiviija käsi. Varsti leiti, et parem on katta purgi välispind metallfooliumiga (Watson, 1746), jättes purgi sees oleva (juhuslikult) ebapuhta vee elektrijuhiks ning ühendades selle ketta või traadi abil väljaspool purki oleva keraga, et vältida laengu kadu koroonalahenduse tõttu. Hiljem asendati purgis olev vesi teise metallfooliumvooderdusega. Varajased eksperinmentaatorid leidsid, et mida õhem on dielektrik, mida lähemal on plaadid ja mida suurem on pind, seda suuremat laengut saab antud pinge korral salvestada.
Hiljem selgus, et dielektriku materjal ei ole oluline, ning oli võimalik mahtuvust vähendada ja plaatidevahelist kaarlahendust vältida. Väikese vahemaaga kaks plaati said toimida kondensaatorina, isegi vaakumis.
Algul mõõdeti mahtuvuste kindla suurusega purkides või kaetud pinna järgi, eeldades klaasi mõistlikult standardset paksust ja koostist. Tüüpiline ühepindise Leideni purgi mahtuvus on umbes 1 nanofaradit.

Laengu salvestamine

Algul arvati, et Leideni purgis säilib laeng vees. Benjamin Franklin uuris põhjalikult nii veega täidetud kui ka fooliumiga Leideni purke ning jõudis järeldusele, et laeng säilib klaasis, mitte vees. Populaarses katses, mis paistab seda näitavat, ühendatakse purk pärast laadimist lahti ning näidatakse, et metallplaatidel leidub vähe laengut, järelikult peab see olema dielektrikus. See katse on esimest korda dokumenteeritud ühes Franklini kirjas 1749. aastast. Franklin konstrueeris "lahtivõetava" Leideni purgi (joonisel), mida demonstratsioonkatsetel laialdaselt kasutati. Purk koosneb klaastassist ja kahest metalltassist, mis liibuvad tassi külge seest ja väljast. Kui purk laetakse kõrge pingega ja võetakse ettevaatlikult koost lahti, siis selgub, et sellega võib vabalt manipuleerida, ilma et laeng kaoks. Kui tükid pannakse uuesti kokku, võib sellest siiski saada tugeva sädelahenduse.
See katse paistab näitavat, et kondensaatorid säilitavad laengut dielektriku sees. Seda teooriat õpetati kogu 19. sajandi vältel. Ent see nähtus on eriline efekt, mida põhjustab kõrge pinge Leideni purgil. Lahtivõetavas Leideni purgis kannab laengu klaastassi pinnale üle koroonalahendus purgi lahtivõtmise ajal; sellest tuleb jääklaeng pärast purgi taaskokkupanemist. Tassiga manipuleerimine lahtivõetud olekus ei anna piisavat kontakti, et kogu pinnalaengut eemaldada. Lubjaklaas on hügroskoopne ning moodustab oma pinnale osaliselt elektrit juhtiva vooderduse, mis hoiab laengut. Addenbrooke (1922) leidis, et kui lahtivõetav Leideni purk on tehtud parafiinvahast või klaasist, mida on niiskuse eemaldamiseks küpsetatud, siis laeng jääb metallplaatidele. Zeleny (1944) kinnitas neid tulemusi ja vaatles laengu koroonaülekannet. Kondensaatorites üldiselt laeng ei salvestu dielektrikus, vaid plaatide pinnal, nagu võib vaadelda nende kondensaatorite puhul, mis saavad toimida vaakumiga plaatide vahel.

Jääklaeng

Kui laetud Leideni purk vabastatakse energiast, lühistades sise- ja välisvooderduse, ning jäetakse mõneks minutiks seisma, siis purk taastab osa oma varasemast laengust ning sellest võib saada teise sädelahenduse. Sageli saab seda korrata, ning vaheaegadega võib saada 4 või 5 sädelahendust, mille kestus lüheneb. Seda efekti põhjustab dielektriline absorptsioon.