Jarra de leiden
Um jarro de Leyden (ou jarro de Leiden, ou arcaicamente, às vezes jarro de Kleistian) é um componente elétrico que armazena uma corrente elétrica de alta tensão carga (de uma fonte externa) entre condutores elétricos dentro e fora de uma jarra de vidro. Normalmente consiste em um frasco de vidro com folha de metal cimentada nas superfícies interna e externa e um terminal de metal projetando-se 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), Holanda em 1745–1746.
A jarra de Leyden foi usada para conduzir muitos dos primeiros experimentos 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 sobre condução elétrica. As jarras de Leyden ainda são usadas na educação para demonstrar os princípios da eletrostática.
História
Os antigos gregos já sabiam que pedaços de âmbar podiam atrair partículas leves após serem friccionados. O âmbar torna-se eletrificado pelo efeito triboelétrico, separação mecânica de carga em um material 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 o fenômeno da carga eletrostática, devido à sua crença de que mesmo as coisas sem vida têm uma alma nelas, daí a analogia popular da faísca.
Por volta de 1650, Otto von Guericke construiu um gerador eletrostático rudimentar: uma bola de enxofre que girava em um eixo. Quando Guericke segurou a bola com a mão e girou a haste rapidamente, uma carga elétrica estática se formou. Esta experiência inspirou o desenvolvimento de várias formas de "máquinas de fricção", que muito ajudaram no estudo da eletricidade.
A jarra de Leyden foi efetivamente descoberta independentemente 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 ela funcionava apenas quando segurada na mão.
A jarra de Leyden é um dispositivo de alta voltagem; estima-se que, no máximo, as primeiras jarras de Leyden poderiam ser carregadas de 20.000 a 60.000 volts. O eletrodo da haste central possui 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 e máquinas de eletroterapia.
Von Kleist
Ewald Georg von Kleist descobriu a imensa capacidade de armazenamento da jarra de Leyden enquanto trabalhava sob uma teoria que via a eletricidade como um fluido e esperava que uma jarra de vidro cheia de álcool "capturasse" este fluido. Ele era o diácono da catedral de Camin na Pomerânia, uma região agora dividida entre a Alemanha e a Polônia.
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 a eletricidade foi enviada através da água para incendiar bebidas alcoólicas. Ele tentou carregar a garrafa de um grande condutor principal (inventado por Bose) suspenso acima de sua máquina de fricção.
Von Kleist sabia que o vidro seria um obstáculo para a fuga do "fluido", e por isso estava convencido de que uma carga elétrica substancial poderia ser coletada e mantida dentro dele. Ele recebeu um choque significativo do dispositivo quando acidentalmente tocou o prego na rolha enquanto ainda segurava a garrafa na 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. O físico polonês-lituano Daniel Gralath soube de von Kleistë 39 ao ver a carta de von Kleist a Paul Swietlicki, escrita em novembro de 1745. Após a primeira tentativa fracassada de Gralath de reproduzir o experimento em dezembro de 1745, ele escreveu a von Kleist para obter mais informações (e foi disseram que o experimento funcionaria melhor se o tubo meio cheio de álcool fosse usado). Gralath (em colaboração com Gottfried Reyger) conseguiu o efeito pretendido em 5 de março de 1746, segurando um pequeno frasco de remédio de vidro com um prego dentro em uma das mãos, aproximando-o de um gerador eletrostático e, em seguida, aproximando a outra mão do prego. Von Kleist não entendeu o significado de sua mão condutora segurando a garrafa - e tanto ele quanto seus correspondentes relutaram em segurar o dispositivo quando informados de que o choque poderia jogá-los para o outro lado da sala. Demorou algum tempo até que os alunos associados de von Kleist em Leyden descobrissem que a mão fornecia um elemento essencial.
Musschenbroek e Cunaeus
A invenção da jarra 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 uma pequena empresa (De Oosterse Lamp – "A Lâmpada Oriental") que fabricava instrumentos científicos e médicos para os novos cursos universitários de física e para cavalheiros científicos interessados em estabelecer seus próprios 'armários' de curiosidades e instrumentos.
Ewald von Kleist é creditado como o primeiro a usar a analogia do fluido para eletricidade e demonstrou isso a Bose desenhando faíscas da água com o dedo.
Como von Kleist, Musschenbroek também se interessou e tentou repetir o experimento de Bose. Durante esse tempo, Andreas Cunaeus, um advogado, aprendeu sobre esse experimento com Musschenbroek e tentou duplicar o experimento em casa com utensílios domésticos. Desconhecendo a "Regra de Dufay", de que o aparato experimental deve ser isolado, Cunaeus segurou seu jarro enquanto o carregava e foi, portanto, o primeiro a descobrir que tal configuração experimental poderia causar um choque severo.. Ele relatou seu procedimento e experiência ao filósofo natural suíço-holandês Jean-Nicolas-Sebastian Allamand, colega de Musschenbroek. Allamand e Musschenbroek também receberam choques graves. Musschenbroek comunicou o experimento em uma carta de 20 de janeiro de 1746 ao entomologista francês René Antoine Ferchault de Réaumur, que era o correspondente nomeado de Musschenbroek na Academia de Paris. O abade Jean-Antoine Nollet leu este relatório, confirmou o experimento e então leu a carta de Musschenbroek em uma reunião pública da Academia de Paris em abril de 1746 (traduzindo do latim para o francês).
A loja de Musschenbroek na França para a venda do 'armário' dispositivos foi o abade Nollet (que começou a construir e vender instrumentos duplicados em 1735). Nollet então deu ao dispositivo de armazenamento elétrico o nome de "Jarro de Leyden" e o promoveu como um tipo especial de frasco para seu mercado de homens ricos com curiosidade científica. O "Kleistian jar" foi, portanto, promovido como o Jarro de Leyden, e como tendo sido descoberto 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.
Outros desenvolvimentos
Poucos meses após o relatório de Musschenbroek sobre como criar uma jarra de Leyden de forma confiável, outros pesquisadores elétricos estavam fazendo e experimentando suas próprias jarras de Leyden. Um de seus interesses originais expressos era ver se a carga total possível poderia ser aumentada.
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, havia conectado três jarras de Leyden em uma espécie de bateria eletrostática em 28 de julho de 1746. Em 1746, o abade Nollet realizou dois experimentos para a edificação do rei Luís XV da França, no primeiro dos quais ele descarregou uma jarra de Leyden por meio de 180 guardas reais, e no segundo 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 com a conexão de dois ou três frascos, provavelmente em série.
Em 1746-1748, Benjamin Franklin experimentou carregar frascos de Leyden em série e desenvolveu um sistema envolvendo 11 painéis de vidro com finas placas de chumbo 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 da palavra bateria por Franklin tenha sido inspirada pelo jogo de palavras humorístico na conclusão de sua carta, onde 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 as jarras de Leyden durante o período de 1746 a 1748 resultaram em uma variedade de relatos divergentes na literatura secundária sobre quem fez a primeira "bateria" conectando frascos de Leyden, quer estivessem em série ou paralelo, e quem primeiro usou o termo "bateria". O termo foi usado posteriormente para combinações de múltiplas células eletroquímicas, o significado moderno do termo "bateria".
O físico, químico e meteorologista sueco Torbern Bergman traduziu muitos dos escritos de Benjamin Franklin sobre eletricidade para o alemão e continuou a estudar as propriedades eletrostáticas.
A partir do final de 1756, Franz Aepinus, em uma complicada interação de cooperação e trabalho independente com Johan Wilcke, desenvolveu um "condensador de ar", uma variação da jarra de Leyden, usando ar em vez de vidro como o dielétrico. Esse aparato funcional, sem vidro, criou um problema para a explicação de Benjamin Franklin sobre a jarra de Leyden, que sustentava que a carga estava localizada no vidro.
A partir do 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, a jarra de Leyden tornou-se comum o suficiente para os escritores assumirem que seus leitores conheciam e entendiam sua operação básica. Por volta da virada do século, começou a ser amplamente utilizado em transmissores de centelhadores 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 a jarra de Leyden evoluísse para a forma compacta moderna de capacitor.
Design
Um projeto típico consiste em uma jarra de vidro com folha de estanho condutora cobrindo as superfícies interna e externa. Os revestimentos de folha param perto 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 condutora na boca do frasco, conectado eletricamente por algum meio (geralmente uma corrente pendurada) à folha interna, para permitir que seja carregado. A jarra é carregada por um gerador eletrostático, ou outra fonte de carga elétrica, conectada ao eletrodo interno enquanto a folha externa é aterrada. As superfícies interna e externa da jarra 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 da jarra 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 fazer uma jarra com revestimento 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 aumentava a capacidade de armazenamento (capacitância) e evitava arcos entre as placas. Duas placas separadas por uma pequena distância também atuam como um capacitor, mesmo no vácuo.
Armazenamento da carga
Acreditava-se inicialmente que a carga estava armazenada na água nos primeiros frascos de Leyden. Em 1700, o estadista e cientista americano Benjamin Franklin realizou extensas investigações de frascos 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 jarro depois de carregado e mostrar que pouca carga pode ser encontrada nas placas de metal e, portanto, deve estar no dielétrico. A primeira instância documentada dessa demonstração está em uma carta de 1749 de Franklin. Franklin projetou um "dissecável" Leyden jar (à direita), amplamente utilizado em demonstrações. O frasco é construído a partir de um copo de vidro aninhado entre dois copos de metal bem ajustados. Quando a jarra é carregada com alta voltagem e cuidadosamente desmontada, descobre-se que todas as partes podem ser manuseadas livremente sem descarregar a jarra. Se as peças forem remontadas, ainda pode ser obtida uma grande faísca.
Esta demonstração parece sugerir que os capacitores armazenam sua carga dentro de seu dielétrico. Esta teoria foi ensinada ao longo do século XIX. No entanto, esse fenômeno é um efeito especial causado pela alta tensão na jarra de Leyden. Na jarra de Leyden dissecável, a carga é transferida para a superfície do copo de vidro por descarga corona quando a jarra é desmontada; esta é a fonte da carga residual depois que a jarra é remontada. Manusear o copo enquanto desmontado não fornece contato suficiente para remover toda a carga da superfície. O vidro refrigerante 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 estes resultados e observou a transferência de carga corona.
Quantidade de carga
Originalmente, a quantidade de capacitância era medida em número de 'jars' de um determinado tamanho, ou através da área total revestida, assumindo uma espessura e composição razoavelmente padronizadas do vidro. Uma jarra de Leyden típica de tamanho de um litro tem uma capacitância de cerca de 1 nF.
Carga residual
Se um frasco de Leyden carregado for descarregado por curto-circuito nos revestimentos interno e externo e deixado em repouso por alguns minutos, o frasco recuperará parte de sua carga anterior e uma segunda faísca poderá 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.
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