Leidenin pullo

Leidenin pullo

Leidenin pullo (tai Leydenin pullo) on vanhin kondensaattorin muoto, joka on nimetty Leidenin kaupungin mukaan. Leidenin pullossa on kaksi metallilevyä asetettuna eroon toisistaan lasiastian (esimerkiksi pullon) sisä- ja ulkopinnalle. Lasi toimii eristeenä. Leidenin pulloilla on suuri jännitteenkestokyky, ja ne ovat siten etenkin korkeajännitteille tarkoitettuja kondensaattoreita. Ensimmäisenä kondensaattorina Leidenin pullo mahdollisti energian varastoinnin sähkön muodossa, ja merkitsi varsinaista alkua sähkön tutkimukselle 1700-luvun puolivälissä.

Keksintö

Leidenin pullon periaatteen löysivät toisistaan riippumatta kaksi tutkijaa, 1745 Ewald Jürgen Georg von Kleist, joka työskenteli Pommerin Camminissa, sekä 1745 tai 1746 Leidenissä fyysikko Pieter van Musschenbroek, kun he kumpikin omilla tahoillaan saivat aikaan laboratoriokokeissa vastaavilla lasien ja metalliosien asetteluilla sähköiskuja.

Erinäisissä dokumenteissa mainitaan myös Andreas Cunaeus Musschenbroekin ystävänä ja kanssalöytäjänä, joissakin toisissa Cunaeus esitetään varsinaiseksi löytäjäksi Musschenbroekin nimen ollessa kanssalöytäjän paikalla.

Syntyhistoriastaan johtuen Leidenin pulloon voidaan viitata myös nimellä Kleistin pullo tai puolueettomasti kondensaatiopullo. Suomessa on joskus käytetty myös epätarkkaa nimitystä Leidenin ruukku, ja nimen Leiden tilalla kaupungin vanhempaa nimitystä Leyden.

Rakenne

Kokeissaan Kleist oli laittanut naulan alkoholilla täytettyyn pulloon ja liittänyt sen alkeelliseen sähköistäjäkoneeseen. Ottaessaan naulaa myöhemmin pois sai hän voimakkaan iskun. Alankomaalainen Musschenbroek teki samantapaisen kokeen yhtäläisin tuloksin. Lukuisat oppineet uusivat näitä kokeita ja muuttelivat osien asetteluja. Johann Heinrich Winckler asetti johtimen kulkemaan keskeltä pullon sisäpintaan, ympäröi sen metallivaipalla ja kokeili kaikenlaisilla nesteillä kuten vedellä, sulalla voilla ja viinillä. Lopullisen muodon Leidenin pullolle antoivat 1748 lontoolaiset lääkärit William Watson ja John Bevis. He luopuivat nesteistä ja päällystivät pullon sisältä ja ulkoa metallisella foliolla. Danzigilainen fyysikko Daniel Gralath kytki ensimmäisenä useita Leidenin pulloja rinnakkain ja sai näin korotettua tehoa.

Leidenin pullon voi valmistaa itsekin, täyttämällä lasi- tai muovipullon vedellä tai mieluiten suolavedellä ja päällystämällä ulkopinnan alumiinifoliolla. Veden suhteellisen hyvän sähkönjohtavuuden ansiosta riittää yhteyteen metallilangan ripustaminen pulloon. Ylhäältä esiinpistävä langanpää tulisi taivuttaa suurelle silmukalle, jotta purkaukset pysyisivät heikompina. PET-muovipulloilla on 60 000 voltin läpilyöntikestokyky. Riittävän purkaustien säilyttämiseksi voidaan se täyttää vain noin 3/4 korkeuteensa. Myös öljykerroksen lisääminen veden pinnalle sopii tähän tarkoitukseen. Tämänkaltaisissa kokeissa on mitä suurin varovaisuus tarpeen: myös heikkojen korkeajännitelähteiden (kuten nauhageneraattori) kanssa käytettynä voidaan tällä tavoin varastoida huomattavia energioita, jotka saattavat olla hengenvaarallisia.

Ensisovellukset

Neljästä Leidenin pullosta kytketty akku eli paristo.

Leidenin pullo oli ensimmäisenä kondensaattorina myös ensimmäinen sähkön varastointiin tarkoitettu laite. 1740-luvulla ei sähkön tuottaminen ainakaan pienessä määrässä ollut enää ongelma, sen sijaan varastointi oli. Sitä pystyttiin kyllä jonkin verran varastoimaan sähköä johtaviin esineisiin, käytännössä raskaisiin rautaputkiin, mutta häviöt olivat suuret ja esineiden käsittely vaikeaa. Pieni ja kätevä Leidenin pullo ratkaisi tämän ongelman, ja niitä saattoi kytkeä rinnakkainkin. Tosin hyötysovelluksia sähkölle saatiin odottaa vielä vuosikymmeniä.

Tuohon aikaan suosituissa sähkön ja sen vaikutusten julkisissa esityksissä havainnollistettiin myös Leidenin pullon (nimellä "Kleistin sysäys", saks. "Kleistsche Stoß") vaikutuksia, jossa ihmisketjulle annettiin siitä isku, jonka seurauksena koehenkilöt kaatuivat nykivinä. Georg Christoph Lichtenberg kirjoitti aiheesta fysiikan oppikirjassa, että "Pariisissa luultiin joitakin vuosia todetuksi sysäyksen tekevän 'frigidiksi ja impotentiksi'", mutta että "Artois'n kreivi tämän kuultuaan kutsui oopperan kastraatit ja havainto todettiin vääräksi", ja vielä että "näin ollen sähköistyskone on saanut kunnian tulla aikanaan hyödylliseksi apuvälineeksi konsistorien ja avioliitto-oikeuksien kokoussaleissa".

Aluksi Leidenin pulloa käytettiinkin enimmäkseen kansalle järjestetyissä näytöksissä, mutta sittemmin ymmärryksen sähkön luonteesta kasvaessa myös virranlähteenä kehittyneemmille kokeille: Benjamin Franklin yhdisti sen metallilangalla leijaan, jonka antoi nousta taivaalle. Hänen onnistui tällä vaarallisella kokeella siirtää ukkospilvistä varaus Leidenin pulloon todistaen täten, että ukkonen on sähköilmiö. Jo Franklin käytti käsitettä "sähkön kondensaattori".

Kondensaattoreissa Leidenin pulloa seurasi parannettu levykondensaattori, jonka Alessandro Volta valmisti 1783, aiemmin kehittämänsä elektroforin pohjalta. Volta selitti myös syyn eläinsähköön, jonka Luigi Galvani oli aiemmin löytänyt ja verrannut sitä Leidenin pullon purkauksiin.

Fysikaalinen tausta

Katso myös: Kondensaattori, jossa käsitellään kapasitanssin suuruutta ja mittaamista

Michael Faraday pani merkille, ettei varatun johtokykyisen kappaleen ja Leidenin pullon välillä ole periaatteellista eroa: jos metallikappaletta pidetään eristettynä ilmassa ja esimerkiksi positiivisesti varattuna, tästä muodostuu ympäristöön, vaikkapa huoneen seinille, varaussähköstä negatiivinen varaus. Seinät muodostavat tässä siis jossain määrin vastaavuuden pullon ulko-osille, välissä oleva ilma taas paksun eristävän kerroksen. Leidenin pullo eroaa vain yksittäisestä johtimesta saatavalla suurella sähköisellä kapasitanssillaan.

Valtavan suuri kapasitanssi kehittyy esimerkiksi kuparisissa merikaapeleissa. Huomattiin, että kesti jonkin aikaa, ennen kuin saatiin sysäys (virtasignaali) toiseen päähän, koska ensin pitkän kaapelin piti tulla varatuksi. Lennättimen nopeus kärsi tästä huomattavasti. Myöhemmin opittiin sovittamaan signaalin lähdeimpedanssi kaapelin aaltoimpedanssiin (kaapelin ominaisimpedanssi).

Leidenin pulloa vastaava rakenne on myös kuvaputkissa: näissä lasikolvi on pinnoitettu sisältä ja ulkoa sähköäjohtavasti, minkä tähden se muodostaa kondensaattorin, joka puskuroi putken anodijännitettä (20–30 kV). Se voi olla varattu vielä kauan laitteen virrankatkaisun jälkeen, mikä muodostaa vaaran korjaustöissä.

Korkeajännitekondensaattorit esiintyvät usein myös keraamisten, molemmin puolin metalloitujen "astioiden" muodossa.

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Leidenin pullo Wikimedia Commonsissa