جرة ليدن

جرة ليدن المبكرة المملوءة بالماء، تتكون من زجاجة بها مسمار معدني يمر عبر سدادتها للتواصل مع الماء

لاحقاً، ظهر نوع أكثر شيوعاً يستخدم رقائق معدنية، عام 1919

جرة ليدن (أو جرة لايدن ، أو بالمعنى القديم، جرة كليستيان ) هي مكون كهربائي يخزن شحنة كهربائية عالية الجهد (من مصدر خارجي) بين موصلات كهربائية على السطحين الداخلي والخارجي لمرطبان زجاجي . تتكون عادةً من مرطبان زجاجي مُلصق عليه رقائق معدنية من الداخل والخارج، وطرف معدني بارز عموديًا من خلال غطاء المرطبان للتواصل مع الرقائق الداخلية. كانت هذه الجرة هي الشكل الأصلي للمكثف [ ^{1 ] (} ويُسمى أيضًا المكثف الكهربائي ). ^{[ 2 ]}

كان اختراعها اكتشافًا تم بشكل مستقل من قبل رجل الدين الألماني إيوالد جورج فون كلايست في 11 أكتوبر 1745 ومن قبل العالم الهولندي بيتر فان موشنبروك من ليدن (ليدن)، هولندا، في 1745-1746. ^{[ 3 ]}

استُخدمت جرة ليدن لإجراء العديد من التجارب المبكرة في مجال الكهرباء، وكان لاكتشافها أهمية بالغة في دراسة الكهرباء الساكنة . فقد كانت أول وسيلة لتجميع وحفظ الشحنة الكهربائية بكميات كبيرة يمكن تفريغها حسب رغبة المجرب، مما ساهم في تجاوز عائق كبير أمام الأبحاث المبكرة في مجال التوصيل الكهربائي. ^{[ 4 ]} ولا تزال جرار ليدن تُستخدم في التعليم لشرح مبادئ الكهرباء الساكنة. ^{[ 5 ]}

عرف الإغريق القدماء أن قطع الكهرمان تجذب الجسيمات الخفيفة عند فركها. يُشحن الكهرمان كهربائيًا بفعل التأثير الكهروستاتيكي ، وهو فصل ميكانيكي للشحنات في مادة عازلة . الكلمة اليونانية للكهرمان هي ἤλεκτρον ( إلكترون )، وهي أصل كلمة "كهرباء". ^{[ 6 ]} يُعتقد أن طاليس الملطي ، الفيلسوف ما قبل سقراط ، قد أشار عرضًا إلى ظاهرة الشحن الكهروستاتيكي، لاعتقاده أن حتى الجمادات تحمل في طياتها روحًا، ومن هنا جاء التشبيه الشائع بالشرارة. ^{[ 7 ]} حوالي عام 1650، بنى أوتو فون جيريك مولدًا كهروستاتيكيًا بدائيًا : كرة من الكبريت تدور على محور. عندما وضع جيريك يده على الكرة وأدار المحور بسرعة، تراكمت شحنة كهربائية ساكنة . ألهمت هذه التجربة تطوير عدة أشكال من "آلات الاحتكاك"، التي ساهمت بشكل كبير في دراسة الكهرباء.

كان جورج ماتياس بوس (22 سبتمبر 1710 - 17 سبتمبر 1761) عالم تجارب كهربائية شهيرًا في بدايات تطوير علم الكهرباء الساكنة. يُنسب إليه الفضل في كونه أول من ابتكر طريقة لتخزين الشحنات الساكنة مؤقتًا باستخدام موصل معزول (يُسمى الموصل الرئيسي). وقد أثارت عروضه وتجاربه اهتمام المجتمع العلمي الألماني والجمهور بتطوير البحوث الكهربائية.

تم اكتشاف جرة ليدن بشكل مستقل فعلياً من قبل جهتين: العميد الألماني إيوالد جورج فون كلايست ، الذي قام بالاكتشاف الأول، والعالمان الهولنديان بيتر فان موشنبروك وأندرياس كونايوس، اللذان اكتشفا سبب عملها فقط عند حملها باليد. ^{[ 8 ]}

فون كلايست

كان إيوالد جورج فون كلايست عميدًا لكاتدرائية كامين في بوميرانيا ، وهي منطقة مقسمة الآن بين ألمانيا وبولندا. يُنسب إلى فون كلايست الفضل في استخدام تشبيه السوائل للكهرباء لأول مرة ، وقد برهن على ذلك لبوز من خلال توليد شرارات من الماء بإصبعه. ^{[ 9 ]} اكتشف فون كلايست القدرة التخزينية الهائلة لقارورة ليدن أثناء محاولته إثبات أن قارورة زجاجية مملوءة بالكحول ستحتفظ بهذا السائل. ^{[ 10 ]}

في أكتوبر 1745، حاول فون كلايست توليد الكهرباء في زجاجة دواء صغيرة مملوءة بالكحول، وذلك بإدخال مسمار في سدادتها. كان يتابع تجربة أجراها جورج ماتياس بوز، حيث تم تمرير الكهرباء عبر الماء لإشعال المشروبات الكحولية. حاول شحن الزجاجة باستخدام موصل رئيسي كبير (اخترعه بوز) معلق فوق آلة الاحتكاك الخاصة به.

أدرك فون كلايست أن الزجاج سيشكل عائقًا أمام تسرب "السائل"، ولذا كان مقتنعًا بإمكانية تجميع شحنة كهربائية كبيرة وتخزينها داخله. تلقى صدمة كهربائية قوية من الجهاز عندما لمس مسماره عن طريق الخطأ من خلال الفلين بينما كان لا يزال ممسكًا بالزجاجة بيده الأخرى. أبلغ فون كلايست بنتائجه إلى خمسة باحثين كهربائيين على الأقل، ^{[ 11 ]} في عدة رسائل بين نوفمبر 1745 ومارس 1746، لكنه لم يتلق أي تأكيد على تكرارهم لنتائجه حتى أبريل 1746. ^{[ 12 ]} علم الفيزيائي البولندي الليتواني دانيال غرالاث بتجربة فون كلايست من خلال رسالة فون كلايست إلى بول سويتليكي ، المكتوبة في نوفمبر 1745. بعد فشل محاولة غرالاث الأولى لإعادة التجربة في ديسمبر 1745، راسل فون كلايست للحصول على مزيد من المعلومات (وأُخبر أن التجربة ستكون أكثر فعالية إذا استُخدم أنبوب نصف مملوء بالكحول). نجح غرالاث (بالتعاون مع غوتفريد ريغر ) في تحقيق التأثير المطلوب في 5 مارس 1746، حيث أمسك بيده زجاجة دواء صغيرة تحتوي على مسمار، وقرّبها من مولد كهربائي ساكن، ثم قرّب يده الأخرى من المسمار. ^{[ 13 ]} لم يُدرك فون كلايست أهمية يده الموصلة للكهرباء التي كانت تمسك الزجاجة، وكان هو ومراسلوه يترددون في استخدام الجهاز عندما قيل لهم إن الصدمة الكهربائية قد تُطيح بهم في أرجاء الغرفة. استغرق الأمر بعض الوقت قبل أن يُدرك زملاء فون كلايست من الطلاب في لايدن أن اليد تُشكّل عنصرًا أساسيًا.

في غضون أشهر من نشر موشنبروك تقريره حول كيفية صنع جرة ليدن بشكل موثوق، بدأ باحثون آخرون في مجال الكهرباء بصنع جرار ليدن الخاصة بهم وإجراء تجارب عليها. ^{[ 20 ]} وكان من بين اهتماماته الأصلية التي عبّر عنها معرفة ما إذا كان من الممكن زيادة إجمالي الشحنة الممكنة. ^{[ 21 ]}

يوهان هاينريش فينكلر ، الذي وردت تجربته الأولى مع جرة ليدن واحدة في رسالة إلى الجمعية الملكية بتاريخ 29 مايو 1746، قام بتوصيل ثلاث جرار ليدن معًا في نوع من البطاريات الكهروستاتيكية في 28 يوليو 1746. ^{[ 22 ]} في عام 1746، أجرى الأب نوليه تجربتين لإفادة الملك لويس الخامس عشر ملك فرنسا، في الأولى قام بتفريغ جرة ليدن عبر 180 من الحرس الملكي ، وفي الثانية عبر عدد أكبر من الرهبان الكرثوسيين ؛ فقفزوا جميعًا في الهواء في وقت واحد تقريبًا. لم تُسجل آراء الملك ولا آراء المشاركين في التجربة. ^{[ 23 ]}

ذكر دانيال غرالاث في عام 1747 أنه أجرى في عام 1746 تجارب على توصيل اثنين أو ثلاثة جرار، ربما على التوالي . ^{[ 22 ]}

في الفترة ما بين عامي 1746 و1748، أجرى بنجامين فرانكلين تجارب على شحن جرار ليدن على التوالي، ^{[ 24 ]} وطوّر نظامًا يتألف من 11 لوحًا زجاجيًا مُلصقة على كل جانب منها صفائح رقيقة من الرصاص، ثم وُصلت معًا. استخدم مصطلح "البطارية الكهربائية" لوصف بطاريته الكهروستاتيكية في رسالة عام 1749 حول أبحاثه الكهربائية التي أجراها عام 1748. ^{[ 25 ] [ 26 ]} من المحتمل أن يكون اختيار فرانكلين لكلمة " بطارية" مستوحى من التورية اللفظية الطريفة في ختام رسالته، حيث كتب، من بين أمور أخرى، عن تحية للباحثين في مجال الكهرباء من مجموعة من المدافع . ^{[ 27 ]} يُعد هذا أول استخدام مُسجل لمصطلح " البطارية الكهربائية" . ^{[ 22 ]} أدت التطورات المتعددة والسريعة في توصيل جرار ليدن خلال الفترة 1746-1748 إلى ظهور روايات متباينة في المصادر الثانوية حول من صنع أول "بطارية" عن طريق توصيل جرار ليدن، وما إذا كانت موصولة على التوالي أو التوازي، ومن استخدم مصطلح "بطارية" لأول مرة. ^{[ 22 ]} لاحقًا، استُخدم المصطلح للإشارة إلى مجموعات من الخلايا الكهروكيميائية المتعددة، وهو المعنى الحديث لمصطلح "بطارية".

قام الفيزيائي والكيميائي وعالم الأرصاد الجوية السويدي توربيرن بيرغمان بترجمة الكثير من كتابات بنجامين فرانكلين حول الكهرباء إلى الألمانية، وواصل دراسة الخصائص الكهروستاتيكية. ^{[ 28 ]}

ابتداءً من أواخر عام 1756، قام فرانز إيبينوس ، من خلال مزيج معقد من العمل المستقل والتعاون مع يوهان ويلكه ، ^{[ 29 ]} بتطوير "مكثف هوائي"، وهو شكل معدل من جرة ليدن، باستخدام الهواء بدلاً من الزجاج كمادة عازلة. وقد أثار هذا الجهاز العامل، بدون زجاج، إشكاليةً لتفسير بنجامين فرانكلين لجرة ليدن، الذي كان يرى أن الشحنة الكهربائية تتركز في الزجاج. ^{[ 30 ]}

يتكون التصميم النموذجي من وعاء زجاجي مغطى برقائق قصدير موصلة على سطحيه الداخلي والخارجي. لا تصل الرقائق إلى فوهة الوعاء لمنع حدوث شرارة كهربائية بينها. يبرز قطب كهربائي معدني من خلال السدادة غير الموصلة عند فوهة الوعاء، موصولًا كهربائيًا بوسيلة ما (عادةً سلسلة معلقة) بالرقائق الداخلية، مما يسمح بشحنها. يُشحن الوعاء بواسطة مولد كهرساكن ، أو مصدر آخر للشحنة الكهربائية، موصول بالقطب الداخلي بينما تكون الرقائق الخارجية مؤرضة . يخزن السطحان الداخلي والخارجي للوعاء شحنات متساوية ومتعاكسة. ^{[ 31 ]}

كان الشكل الأصلي للجهاز عبارة عن زجاجة مملوءة جزئيًا بالماء، يمر سلك معدني عبر سدادة من الفلين لإغلاقها. وكان دور الصفيحة الخارجية يتم يدويًا. سرعان ما اكتشف جون بيفيس (عام ١٧٤٧) أنه من الممكن تغطية السطح الخارجي للزجاجة برقائق معدنية، كما اكتشف أنه يستطيع تحقيق التأثير نفسه باستخدام صفيحة زجاجية مغطاة برقائق معدنية من كلا الجانبين. ^{[ ٣٢ ]} ألهمت هذه التطورات ويليام واتسون في العام نفسه لصنع زجاجة مبطنة برقائق معدنية من الداخل والخارج، مما أغنى عن استخدام الماء. ^{[ ٣٢ ] [ ٣٣ ]}

أفاد الباحثون الأوائل (مثل بنيامين ويلسون في عام 1746) أنه كلما كان العازل أرق وزادت مساحة السطح، زادت الشحنة التي يمكن تراكمها. ^{[ 34 ]}

أظهرت التطورات اللاحقة في علم الكهرباء الساكنة أن المادة العازلة ليست ضرورية، ولكنها تزيد من قدرة التخزين ( السعة ) وتمنع حدوث شرارة كهربائية بين اللوحين. كما يعمل لوحان يفصل بينهما مسافة صغيرة كمكثف، حتى في الفراغ .

كان يُعتقد في البداية أن الشحنة تُخزَّن في الماء داخل جرار ليدن القديمة. في القرن الثامن عشر، أجرى العالم والسياسي الأمريكي بنجامين فرانكلين دراساتٍ مستفيضة على جرار ليدن، سواءً المملوءة بالماء أو المصنوعة من رقائق معدنية، ما قاده إلى استنتاج أن الشحنة تُخزَّن في الزجاج، لا في الماء. ومن التجارب الشائعة التي أجراها فرانكلين، والتي يبدو أنها تُثبت ذلك، تفكيك جرة بعد شحنها، وإظهار أن الشحنة ضئيلة على الصفائح المعدنية، وبالتالي فهي موجودة في المادة العازلة . أول توثيق لهذه التجربة ورد في رسالة كتبها فرانكلين عام ١٧٤٩. ^{[ ٣٥ ]} صمّم فرانكلين جرة ليدن "قابلة للتفكيك" (على اليمين) ، والتي استُخدمت على نطاق واسع في التجارب. تتكون الجرة من كوب زجاجي موضوع بين كوبين معدنيين متطابقين تقريبًا. عند شحن الجرة بجهد عالٍ وتفكيكها بعناية، يُكتشف أنه يمكن التعامل مع جميع أجزائها بحرية دون تفريغها. وإذا أعيد تجميع القطع، فقد لا يزال من الممكن الحصول على شرارة كبيرة منها.

يبدو أن هذه التجربة تشير إلى أن المكثفات تخزن شحنتها داخل مادتها العازلة. وقد دُرست هذه النظرية طوال القرن التاسع عشر. مع ذلك، تُعد هذه الظاهرة تأثيرًا خاصًا ناتجًا عن الجهد العالي المُطبق على جرة ليدن. ^{[ 36 ]} في جرة ليدن القابلة للتفكيك، تنتقل الشحنة إلى سطح الكأس الزجاجي بفعل التفريغ الإكليلي عند تفكيك الجرة؛ وهذا هو مصدر الشحنة المتبقية بعد إعادة تجميعها. لا يوفر التعامل مع الكأس أثناء تفكيكها اتصالًا كافيًا لإزالة كل الشحنة السطحية. زجاج الصودا مادة ماصة للرطوبة ، ويُشكل طبقة موصلة جزئيًا على سطحه، تحتفظ بالشحنة. ^{[ 36 ]} وجد أدنبروك (1922) أنه في جرة قابلة للتفكيك مصنوعة من شمع البارافين، أو زجاج مُعالج حراريًا لإزالة الرطوبة، تبقى الشحنة على الصفائح المعدنية. ^{[ 37 ]} أكد زيليني (1944) هذه النتائج ولاحظ انتقال الشحنة الإكليلي. ^{[ 38 ]}

إذا تم تفريغ شحنة وعاء ليدن عن طريق توصيل طبقتيه الداخلية والخارجية ببعضهما وتركه لبضع دقائق، فسيستعيد الوعاء جزءًا من شحنته السابقة، ويمكن الحصول على شرارة ثانية منه. ^{[ 39 ]} غالبًا ما يمكن تكرار هذه العملية، والحصول على سلسلة من 4 أو 5 شرارات متناقصة الطول على فترات زمنية محددة. ويعود هذا التأثير إلى امتصاص العازل الكهربائي . ^{[ 40 ]}

إن جرة ليدن عبارة عن جهاز عالي الجهد ؛ ويُقدّر أن أقصى ما يمكن شحن جرارات ليدن المبكرة به هومن 20000 إلى60000 فولت . ^[ 41 ^] يحتوي القطب المركزي على كرة معدنية في نهايته لمنع تسرب الشحنة إلى الهواء عن طريق التفريغ الإكليلي . وقد استُخدم لأول مرة في تجارب الكهروستاتيكا ، ولاحقًا في معدات الجهد العالي مثل أجهزة إرسال الراديو ^ذات الفجوة الشرارية وأجهزة العلاج الكهربائي .

في الأصل، كانت سعة المكثف تُقاس بعدد " الأواني " ذات الحجم المحدد، أو من خلال المساحة المطلية الكلية، بافتراض سمك وتركيب زجاجي قياسيين إلى حد معقول. تبلغ سعة مكثف وعاء ليدن النموذجي سعة نصف لتر حوالي 1 نانوفاراد (nF). ^{[ 42 ]} 

بدأ استخدام جرة ليدن في أواخر القرن الثامن عشر في مجال العلاج الكهربائي لعلاج مجموعة متنوعة من الأمراض بالصدمات الكهربائية. وبحلول منتصف القرن التاسع عشر، أصبحت جرة ليدن شائعة لدرجة أن الكتّاب افترضوا أن قرّاءهم على دراية بآلية عملها الأساسية. ^{[ 43 ]} ومع مطلع القرن العشرين، بدأ استخدامها على نطاق واسع في أجهزة الإرسال ذات الفجوة الشرارية ومعدات العلاج الكهربائي الطبية .

شجع تطور تكنولوجيا الراديو الجديدة في أوائل القرن العشرين على تقليص حجم مكثفات ليدن، بالإضافة إلى تقليل الحث والمقاومة غير المرغوب فيهما . وقد أدت هذه التحسينات، إلى جانب تحسين المواد العازلة، إلى تطور مكثف ليدن إلى شكله المضغوط الحديث .

• أجراس فرانكلين
• مولد فان دي غراف
• تقنيات ليدن جار

• ليدن جار – برنامج تعليمي تفاعلي بلغة جافا، المختبر الوطني للمجالات المغناطيسية العالية
• Schechner, Sara J. “The Art of Making Leyden Jars and Batteries According to Benjamin Franklin.” Archived 2020-10-20 at the Wayback Machine eRittenhouse 26 (2015).
• ميشيل مارانوفسكي (19 فبراير 2015). "حيثما توجد شحنة كهربائية، قد تحدث شرارات!" . موقع ساينس باديز . مؤرشف من الأصل في 19 يونيو 2017. تم الاطلاع عليه في 8 سبتمبر 2016 .فكرة مشروع لمعرض العلوم.