Розробка заняття на тему: Історія конденсатора

Про матеріал

Дана розробка містить матеріали ознайомлення з історією виникнення та розвитку конденсаторів, особливостями їх застосування, що допомагають виховувати любов до історії, вміння побудови аналогій, розвивати увагу, грамотність та логічне мислення.

Перегляд файлу

Первомайський ЦНТТУМ

Гурток «Сучасні технології програмування»

Керівник гуртка Семенова Олена Анатоліївна

Розробка заняття на тему:

Історія конденсатора

Тема: Історія конденсатора

Мета: ознайомитись з історією виникнення та розвитку конденсаторів, особливостями їх застосування, виховувати любов до історії, вміння побудови аналогій, розвивати увагу, грамотність та логічне мислення.

Тип заняття: інтерактивна лекція.

Обладнання: ПК, ПЗ для перегляду презентації (зображення на основі та по тексту лекції, особливо корисна в умовах дистанційного навчання).

Хід заняття

Електроніка дуже тісно ввійшла в наше життя. І багато з нас не можуть прожити без неї ні хвилини. Ви з цим не можете не погодитись, так? Хоча ще 100 років тому із цим би не погодилась абсолютна більшість людей на Землі. Але так само, як ми зараз не можемо уявити своє життя без електронних пристроїв, важко знайти такий пристрій, у якому би не використовувався радіоелектронний компонент під назвою “конденсатор”.

Що він собою являє, як працює і як з’явився вперше - саме про це сьогодні буде розповідь…

Отже, що таке “конденсатор”? Давайте, за звичкою, спробуємо спочатку розібратись із змістом самого слова. Що воно вам нагадує? Як ви гадаєте, (якщо, звичайно, не знаєте :) ), що це слово означає?

Простими словами кажучи, конденсáтор (англ. capacitor; нім. Kondensator ) — система з двох чи більше електродів(обкладок), що розділені діелектриком(пам’ятаємо, що це таке?), яка знатна накопичувати (тобто, має електричну ємність) і здатна зберігати електричний заряд.

Насправді назва має італійське походження, але ми до цього ще повернемось. А зараз подивіться на фото, де зібрана лише маленька частина сучасних видів конденсаторів..

Це може здатись дивним, але перший конденсатор, хоч і мав багато спільного з сучасними елементами (в усякому разі, що стосується його фізичних властивостей), зовсім не був схожий на них. Навіть назва у нього було зовсім іншою…. Цікаво?

Якщо ви згадаєте наші перші заняття, де ми знайомились із історією радіоелектроніки, то, можливо, :) пригадаєте і те, що історія конденсаторів починається десь приблизно разом із першими спробами вивчення електрики.

Дехто порівнює ці спроби із спробами людей навчитись літати, тобто, від перших кроків людей до авіації, коли літаки виготовлялись з дерева та тканини, коли люди намагалися підстрибнути вгору, у повітря, не знаючи ще аеродинаміку достатньо для того, щоб зрозуміти, як залишитися там, у повітряних масах.

Можливо, в цьому є щось.. Тому що у вивченні електрики був схожий період. На час відкриття конденсатора розуміння людей було настільки примітивним, що вважалося, ніби електрика є рідиною, що існує у двох формах – склоподібною та смолистою. Але, звичайно, розуміння приходить із досвідом і все змінилося вже в перші роки розвитку конденсаторів.

Історія бере початок у 1745 році. Тоді електрику можна було створювати тільки електростатичним генератором (пам’ятаєте, до речі, ким він був створений? ;)- Її сконструював німецький учений, бургомістр Магдебурга Отто фон Геріке приблизно у 1650 році) . Куля оберталася зі швидкістю кількох сотень обертів на хвилину, а експериментатор торкався до неї руками, або шматочком сукна. Нагромаджену ним електрику можна було розрядити.

Як ви можете порахувати, експерименти з електростатичною машиною тривали близько ста років і …

У 1745-му Евальд Юрген фон Клейст з Померанії (тоді це була Німеччина, а зараз територія Польщі) спробував зберігати електрику в алкоголі. Він вирішив, що може перевести електрику по провіднику від генератора в скляну медичну посудину. Оскільки, як ви пам’ятаєте, на той час електрика вважалася рідиною, такий підхід був розумним. Клейст вважав, що скло завадить електричній рідині втекти з алкоголю. Він робив це приблизно так, як показано на картинці, тобто, пропустив цвях через пробку і опустив його в алкоголь, тримаючи скляну пляшку однією рукою. Фон Клейст виявив, що може отримати іскру, якщо торкнеться дроту, більш потужну, ніж якби він використовував тільки один генератор. Про важливу роль руки він на той момент не здогадувався.

Як свідчить історія, 11 жовтня 1745 року Клейст самостійно винайшов «медичну банку», яка може зберігати електричний заряд у великих кількостях.

Клейст був священиком, а не вченим, і досліди проводив із цікавості до електрики - можливо, цю цікавість він отримав, коли вивчав юриспруденцію в університеті у Лейдені. Адже в результаті саме до цього університету в кінці 1745 року були передані новини про відкриття, які Клейст повідомив групі німецьких вчених.

У 1746 році Пітер ван Мушенбрук, голандський фізик, професор, зі своїм студентом Андреасом Кунеусом вдало повторив експеримент, але з водою. Мушенбрук повідомив широкій французькій науковій громадськості про результати експерименту. Вважається, що Мушенбрук зробив це відкриття незалежно. І його вважають винахідником першого у світі електричного конденсатора під назвою “Лейденська банка”. Доречі, назву цю, винаходу дав французький фізик Жан-Антуан Нолле. Тож цей винахід можна справедливо назвати “міжнародним” :).

Евальд Юрген фон Клейст Пітер ван Мушенбрук Жан-Антуан Нолле

Жан-Антуан Нолле теж цікава фігура - французький вчений-фізик і одночасно священник. Уявляєте, за історичними даними, саме йому належить ідея вивчати вплив електрики на живих істот, зокрема, історично відомий дослід із передачі електричного струму через 150 або 180 осіб. Який саме?

Стверджують, що дослід з лейденською банкою Ж.Нолле зробив в присутності французького короля. Вчений утворив ланцюг із 180 солдатів-гвардійців, що тримались за руки, причому перший у ланцюгу тримав банку в руці, а останній — торкався дроту, викликаючи проскакування іскри. Можливо, звідси бере початок термін «електричний ланцюг». :)

До речі, про електрику… :) Є відомості, що у 1746 році Жан-Антуан Нолле захотів виміряти швидкість струму експериментально. Він розставив 200 ченців, з'єднаних один з одним залізними проводами та дав розряд. Побачивши, що всі ченці зреагували на струм за одну мить, Нолле вирішив, що швидкість струму дуже висока. :) Проте ці відомості скоріше нагадують анекдот, що виник на основі досліду із гвардійцями :).

А ще деякі історики стверджують, що Жан-Антуан Нолле не лише дав назву першому конденсатору, але й продавав цей винахід як особливий вид пляшок багатим людям, що цікавились наукою. :)

Але повернемось до винаходу… Отже, саме в Лейденському університеті виявили, що експеримент працює лише коли тримати контейнер рукою, а не підтримувати його ізолюючим матеріалом.

Фактично, одна з улюблених електричних демонстрацій того часу включала багатьох людей, які стоять у колі, що тримаються за руки. Просили людину на початку ланцюга торкнутися верхньої частини зарядженої банки Лейдена, тоді як людині в кінці ланцюга було запропоновано торкнутися нижньої частини тієї ж банки вільною рукою. Електрика протікала через кожного члена групи, кожен із яких відчував супутній шок. Звичайно, такі демонстрації були досить небезпечні, але були дуже популярні — коли ж людей зупиняла небезпека, якщо вони при цьому мають гострі відчуття, так? :). Про популярність свідчать картини, статті і газети тих років…

Як вона працювала? Це була закупорена наповнена водою скляна банка, обклеєна всередині і зовні фольгою. Крізь кришку у банку був уведений металевий стрижень, електростатичний генератор через металевий провідник (гвіздок чи стрижень) передавав заряд у банку. Лейденська банка дозволяла накопичувати і зберігати порівняно великі заряди. Сьогодні ми розуміємо, що рідина, що контактувала зі склом, працювала як одна пластина конденсатора, а рука – як інша, скло було діелектриком. Джерелом високої напруги був генератор, а рука та тіло забезпечували заземлення.

Завдяки Лейденській банці вдалося вперше штучним шляхом отримати електричну іскру.

Тож винахід конденсатора став важливим кроком уперед у розвитку електроніки.

Але це було лише початком.

Практично одразу після винаходу скрізь почались експерименти із лейденською банкою. Даніель Гралат, фізик і мер Гданська (Польща) першим об'єднав кілька судин паралельно, чим збільшив кількість заряду, що зберігається. У 1740-х і 1750-х Бенджамін Франклін на території, що невдовзі перетворилася на Сполучені Штати Америки, також експериментував з лейденськими банками і назвав колекцію з кількох банок батареєю через схожість із батареєю гармат. А ви його, скоріше за все, знаєте лише тому, що бачили його портрет на 100 доларовій купюрі :).

Ще приблизно через півсторіччя італійський фізик Алессандро Вольта, продовжуючи досліди Луїджі Гальвані, створив перший гальванічний елемент (на честь італійця Гальвані), тобто, пристрій для перетворення хімічної енергії в електричну… тобто, те, що ми зараз використовуємо не задумуючись, і називаємо… просто.. батарейками :), можливо, ця назва дісталась нам історично від Бенджаміна Франкліна?

А можливо і … Ви чули про багдадську батарейку?

У Вікіпедії є відомості, що австрійський історик-сходознавець Вільгельм Кеніг знайшов її поблизу Багдаду в червні1936 року (у деяких джерелах говориться, що в 1938 році). За його описом вона являла собою 13-сантиметрову посудину. “Усередині посудини перебував мідний циліндр, усередині якого знаходився залізний стрижень. Верхній кінець стрижня приблизно на сантиметр виступав над циліндром і був покритий тонким, світло-жовтим, але повністю окисненим шаром металу, з вигляду схожого на свинець. Нижній кінець залізного стрижня не діставав до днища циліндра, на якому знаходився шар асфальту товщиною приблизно три міліметри”.

Вільгельм Кеніг припустив, що Багдадська батарейка, заповнена кислотою або лугом, могла створити електричний струм напругою в один вольт. Кеніг переглянув експонати Багдадського музею старожитностей. Його здивували мідні посріблені вази, пов'язані до 2500 року до н. е.. Як припустив Кеніг, срібло на вазах було нанесено електролітичним методом.

Версію Кеніга про те, що знахідка є батарейкою, підтвердили:

професор Дж. Б. Перчінскі з Університету Північної Кароліни. Він створив точну копію «батарейки» і наповнив її п'ятивідсотковим винним оцтом. Було зафіксовано напругу в 0,5 вольта!
У 1947 американський фізик Віллард Ф. Грей виготовив точну копію багдадської батарейки, використавши сульфат міді як електроліт. Батарейка дала електричний струм з напругою близько 2 вольт.
У передачі «Руйнівники легенд» був отриманий той самий результат — гальванізація відбувалася, хоч і була малоефективна.

Так що хто зна, кому насправді належить першість у створенні першого гальванічного елементу :).

Але давайте повернемось все ж таки до Алессандро Вольта. Навіщо? Ні, не тому, що на його честь було названо одиницю вимірювання напруги… :)

А тому, що.. Пригадайте, яка в нас тема? Здогадуєтесь?

Термін “конденсор” був запропонований саме Алессандро Вольта в 1782 році, і походив він від італійського condensatore. Назва позначала можливість пристрою зберігати більшу густину заряду, ніж ізольований провідник.

Але цей термін "конденсатор" не використовувався аж до 1920-х. Довгий час їх називали конденсорами, до речі, і досі називають по-різному у деяких країнах, наприклад, англійською їх звуть capacitor від слова capacity - ємність.

І можливо, у поняття “ємність” конденсатора корені теж глибоко історичні - від “ємності” банок, з яких їх створювали…

А назву “фарад” для визначення одиниці вимірювання ємності конденсаторів було прийнято на честь Майкла Фарадея, завдяки його дослідам по вимірюванням заряда конденсаторів.

Одним з найважливіших наслідків винаходу лейденської банки стало встановлення впливу електричних розрядів на організм людини, що привело до зародження електромедицини — це було перше порівняно широке практичне застосування електрики, котре зіграло значну роль у поглибленні вивчення електричних явищ.

Отже, будова конденсатора і принцип дії:

Якщо одну пластину підключити до плюса джерела електричного струму, а другу – до мінуса, то обидві пластини зарядяться різними зарядами. Заряди продовжуватимуть утримуватися на обкладках навіть після від’єднання джерела живлення. Це тому що заряди різних знаків («+» і «-») прагнуть притягтися один до одного. Однак цьому перешкоджає діелектрик, що розташований на їхньому шляху. Тому заряди, розподілені по всій площі обкладок, залишаються на своїх місцях та утримуються силами взаємного притяжіння.

Основні характеристики: ємність (F) та максимальна напруга (V)

Типи конденсаторів: