ライデン瓶

ライデン瓶（ライデンジャー、または古語では クライスティアンジャー）は、ガラス瓶の内側と外側の導電体の間に（外部から）高電圧の電荷を蓄える電気部品である。通常は、ガラス瓶の内側と外側の表面に金属箔を接着し、瓶の蓋から垂直に突き出して内側の箔と接触する金属端子で構成される。これはコンデンサーの原型である^[1]（コンデンサーとも呼ばれる） ^[2]。

この発明は、 1745年10月11日にドイツの聖職者エヴァルト・ゲオルク・フォン・クライストによって独立して発見され、1745年から1746年にかけてオランダのライデンのオランダ人科学者ピーテル・ファン・ムッシェンブロークによって発見された。^[3]

ライデン瓶は初期の電気実験に多く使用され、その発見は静電気の研究において根本的に重要な意味を持っていました。ライデン瓶は、実験者の意志で放電できる大量の電荷を蓄積して保存する最初の手段であり、電気伝導に関する初期の研究の大きな限界を克服しました。^[4]ライデン瓶は現在でも静電気の原理を説明するために教育で使用されています。

古代ギリシャ人は、琥珀の破片をこすると軽い粒子を引き寄せることができることをすでに知っていた。琥珀は、誘電材料における電荷の機械的分離である摩擦電気効果によって帯電する。琥珀のギリシャ語は ἤλεκτρον ("ēlektron") であり、「電気」という言葉の語源である。^[5]ソクラテス以前の哲学者であるミレトスのタレスは、生命のないものにも魂が宿ると信​​じていたため、偶然に静電気の帯電現象についてコメントしたと考えられており、火花の一般的な例えが生まれた。^[6] 1650年頃、オットー・フォン・ゲーリケは、軸の上で回転する硫黄の球という、粗雑な静電発電機を製作した。ゲーリケが球に手を当てて軸を素早く回すと、静電気が発生した。この実験は、電気の研究に大きく貢献したいくつかの形式の「摩擦機械」の開発に影響を与えた。

ゲオルク・マティアス・ボース(1710 年 9 月 22 日 - 1761 年 9 月 17 日) は、静電気学の発展初期の有名な電気実験者でした。彼は、絶縁導体 (プライム導体と呼ばれる) を使用して静電荷を一時的に蓄える方法を初めて開発した人物として知られています。彼のデモンストレーションと実験により、ドイツの科学界と一般大衆の電気研究の発展への関心が高まりました。

ライデン瓶は、事実上2つのグループによって独立して発見されました。最初の発見者であるドイツの学部長 エヴァルト・ゲオルク・フォン・クライストと、それが手で持ったときだけ機能する理由を解明したオランダの科学者ピーテル・ファン・ムッシェンブロークとアンドレアス・クナエウスです。 ^[7]

エヴァルト・ゲオルク・フォン・クライストは、現在ドイツとポーランドにまたがるポンメルン地方のカミン大聖堂の首席司祭であった。クライストは、電気に対する流体のアナロジーを初めて用いた人物とされ、指で水から火花を散らしてボースにこれを実演した。^[8]彼は、アルコールで満たされたガラス瓶がこの液体を「捕らえる」ことを実証しようとした際に、ライデン瓶の膨大な貯蔵能力を発見した。^[9]

1745 年 10 月、フォン クライストは、コルクに釘を刺してアルコールを入れた小さな薬瓶に電気を蓄えようとしました。彼は、水に電気を流してアルコール飲料に火をつけるという、ゲオルク マティアス ボースが開発した実験を追っていました。彼は、摩擦機械の上に吊るした大きな素導体 (ボースが発明) から瓶に電気を蓄えようとしました。

フォン・クライストは、ガラスが「液体」の流出を阻むことを知っていたため、かなりの電荷をガラスの中に集めて保持できると確信していた。彼は、もう一方の手で瓶を抱えたまま、誤ってコルクを通して釘に触れ、装置からかなりのショックを受けた。彼は、1745年11月から1746年3月にかけて、少なくとも5人の電気実験者に^[10]数通の手紙で自分の結果を伝えたが、1746年4月まで、彼らが彼の結果を再現したという確認を受け取らなかった。^[11] ポーランド系リトアニア人の物理学者ダニエル・グララートは、1745年11月に書かれたフォン・クライストのポール・スヴィエトリツキへの手紙を見て、フォン・クライストの実験について知った。1745年12月にグララートが実験を再現する最初の試みに失敗した後、彼はフォン・クライストに詳細を尋ねる手紙を書いた（そして、半分アルコールを入れたチューブを使用すると実験がよりうまくいくと言われた）。グララートはゴットフリート・ライガー [de]と共同で、1746年3月5日に目的の効果を得ることに成功した。片手に釘の入った小さなガラスの薬瓶を持ち、それを静電発生器の近くに動かし、もう一方の手を釘に近づけた。^[12]クライストは、瓶を握っている伝導手の重要性を理解していなかった。また、ショックで部屋の向こう側に飛ばされる可能性があると聞かされると、クライストも通信員もその装置を持つのを嫌がった。ライデンのクライストの学生仲間が、手が重要な要素であることを理解するのにはしばらく時間がかかった。^[要出典]

ライデン瓶の発明は、長い間、ライデン大学の物理学教授であるピーテル・ファン・ムッシェンブロークの功績とされてきた。彼はまた、真鍮製の大砲を鋳造する家族経営の鋳造所と、大学の新設物理学コースや、独自の珍品や器具の「キャビネット」を作ろうとする科学者のために科学機器や医療機器を製造する小企業 ( De Oosterse Lamp - 「東洋のランプ」)を経営していた。

フォン・クライスト同様、ムッシェンブルークもボースの実験に興味を持ち、再現しようとした。^[13]この頃、弁護士のアンドレアス・クナエウスはムッシェンブルークからこの実験について知り、家庭用品を使って自宅で実験を再現しようとした。^{[14]実験装置は絶縁しなければならないという「}デュファイの法則」を知らなかったクナエウスは、瓶に電気を流しながら手で持ち、そのような実験装置が強いショックを与える可能性があることを初めて発見した。^{[14] [15]彼は自分の手順と経験を、ムッシェンブルークの同僚であるスイス系オランダ人の}自然哲学者、 ジャン＝ニコラ・セバスチャン・アラマンドに報告した。アラマンドとムッシェンブルークも強いショックを受けた。ミュッシェンブルークは、1746年1月20日付の手紙で、パリアカデミーでミュッシェンブルークの通信員を務めていたフランスの昆虫学者ルネ・アントワーヌ・フェルショー・ド・レオミュールに実験を伝えた。ジャン＝アントワーヌ・ノレ神父はこの報告を読んで実験を確認し、1746年4月にパリアカデミーの公開会議でミュッシェンブルークの手紙を読み上げた^[14]（ラテン語からフランス語に翻訳）。^[16]

ミュッシェンブルークがフランスで自社の「キャビネット」機器を販売していたのは、アベ・ノレット（1735年に同じ機器の製造と販売を開始^[17]）だった。ノレットはその後、この電気貯蔵装置に「ライデン瓶」という名前を付け、科学的好奇心を持つ裕福な男性を顧客に特別なフラスコとして宣伝した。そのため、「クライスト瓶」はライデン瓶として宣伝され、ピーテル・ファン・ミュッシェンブルークとその知人であるアンドレアス・クナエウスが発見したものとなった。しかし、ミュッシェンブルークは自分が発明したと主張したことはなく^[14]、クナエウスの名前が挙がったのは彼の信用を落とすためだけだったと考える者もいる^{[18] 。}

ミュッシェンブロークがライデン瓶を確実に作る方法について報告してから数か月以内に、他の電気研究者が独自のライデン瓶を作り、実験を始めました。^[19]彼が最初に表明した関心の1つは、可能な総電荷を増やすことができるかどうかを確認することでした。^[20]

ヨハン・ハインリヒ・ヴィンクラーは、 1746年5月29日に王立協会に宛てた手紙の中で、ライデン瓶1個を使った最初の実験を報告しており、1746年7月28日には3個のライデン瓶を一種の静電電池で接続していた。 ^[21] 1746年、ノレ神父はフランス国王ルイ15世の啓蒙のために2つの実験を行った。最初の実験では、ライデン瓶の放電を180人の王室衛兵に当て、2回目ではより多くのカルトジオ会修道士に当てた。全員がほぼ同時に空中に飛び上がった。国王や被験者の意見は記録されていない。^{[22] [ページが必要]}

ダニエル・グララスは1747年に、1746年に2つまたは3つの瓶をおそらく直列に接続する実験を行ったと報告した。^[21]

1746年から1748年にかけて、ベンジャミン・フランクリンはライデン瓶を直列に充電する実験を行い、^[23] 11枚のガラス板の両側に薄い鉛板を接着し、それらを相互に接続するシステムを開発した。彼は1748年の電気研究に関する1749年の手紙の中で、静電電池を説明するために「電気電池」という用語を使用した。^{[24] [25]フランクリンが「}電池」という言葉を選んだのは、手紙の結びのユーモラスな言葉遊びからヒントを得た可能性がある。その手紙では、電気研究者に銃の連隊から敬礼するなどと書かれている。^{[26]これは}「電気電池」という用語が記録に残る最初の使用例である。^[21] 1746年から1748年にかけてライデン瓶を接続する技術が急速に進歩したため、二次文献では、ライデン瓶を接続して最初に「電池」を作ったのは誰か、直列か並列か、誰が「電池」という用語を最初に使用したかなど、さまざまな相反する説明が生まれました。^[21]この用語は後に、複数の電気化学セルの組み合わせを指すようになり、これが「電池」という用語の現代的な意味となりました。

スウェーデンの物理学者、化学者、気象学者トルバーン・ベルグマンは、ベンジャミン・フランクリンの電気に関する著作の多くをドイツ語に翻訳し、静電気特性の研究を続けました。^[27]

1756年後半から、フランツ・エピヌスは、ヨハン・ヴィルケとの共同研究と独自の研究を複雑に組み合わせて、^[28]誘電体としてガラスではなく空気を使用することで、ライデン瓶のバリエーションである「空気コンデンサー」を開発した。ガラスを使わずに機能するこの装置は、電荷がガラスにあると主張するベンジャミン・フランクリンのライデン瓶の説明に問題を引き起こした。^[29]

典型的な設計は、ガラス瓶の内面と外面を導電性のスズ箔で覆ったものである。箔のコーティングは瓶の口の手前で止まっており、箔の間で電荷がアーク放電するのを防ぐ。金属棒電極が瓶の口の非導電性ストッパーから突き出ており、何らかの手段（通常は吊り下げチェーン）で内側の箔に電気的に接続され、内側の箔を充電できるようにする。瓶は、外側の箔が接地されている間に内側の電極に接続された静電発生器またはその他の電荷源によって充電される。瓶の内面と外面には、等しいが反対の電荷が蓄えられる。^[30]

この装置の原型は、ガラス瓶に水を半分入れ、コルクに金属線を通し、それを閉じただけのものである。外側の板の役割は実験者の手によって提供される。間もなくジョン・ビーヴィスは（1747年に）瓶の外側を金属箔で覆うことが可能であることを発見し、また両面に金属箔を貼ったガラス板を使用することで同じ効果が得られることも発見した。^[31]これらの開発に触発されたウィリアム・ワトソンは、同じ年に内側と外側の両方に金属箔を張った瓶を製作し、水を使わなくなった。^{[31] [32]}

初期の実験者（1746年のベンジャミン・ウィルソンなど）は、誘電体が薄く表面積が大きいほど、蓄積できる電荷が大きくなることを報告した。^[33]

静電気学のさらなる発展により、誘電体は必須ではなく、蓄電能力（静電容量）を高め、プレート間のアーク放電を防ぐことが明らかになりました。わずかな距離で分離された 2 つのプレートは、真空中でもコンデンサとして機能します。

初期のライデン瓶では、電荷は水に蓄えられていると当初は信じられていた。1700年代、アメリカの政治家で科学者のベンジャミン・フランクリンは、水を入れたライデン瓶とアルミホイルのライデン瓶の両方について広範囲にわたる調査を行い、電荷は水ではなくガラスに蓄えられているという結論に至った。フランクリンによる、このことを実証すると思われる人気の実験は、瓶を充電した後に分解し、金属板にはほとんど電荷が見られないこと、したがって電荷は誘電体にあるに違いないことを示すというものである。この実証の最初の記録された例は、フ​​ランクリンによる1749年の手紙である。^[34] フランクリンは「分解可能な」ライデン瓶（右）を設計し、これは広く実証に使用された。この瓶は、かなりぴったりとフィットする2つの金属カップの間にガラスカップを入れ子にして作られている。瓶に高電圧をかけて慎重に分解すると、瓶を放電することなくすべての部品を自由に扱えることがわかった。部品を再度組み立てると、そこからまだ大きな火花が得られる可能性があります。

このデモンストレーションは、コンデンサが誘電体内に電荷を蓄えることを示唆しているように思われる。この理論は 1800 年代を通じて教えられてきた。しかし、この現象はライデン瓶にかかる高電圧によって生じる特殊な効果である。 ^[35]分解可能なライデン瓶では、瓶を分解するとコロナ放電によってガラスカップの表面に電荷が移動し、これが瓶を組み立て直した後に残る電荷の原因となる。分解中にカップを扱っても、表面電荷をすべて除去するのに十分な接触が得られない。ソーダガラスは吸湿性があり、表面に部分的に導電性のコーティングを形成し、電荷を保持する。^[35] Addenbrooke (1922) は、パラフィンワックスまたは水分を除去するために焼いたガラスで作られた分解可能な瓶では、金属板に電荷が残ることを発見した。^[36] Zeleny (1944) はこれらの結果を確認し、コロナ電荷移動を観察した。^[37]

充電されたライデン瓶の内側と外側のコーティングを短絡させて放電し、数分間放置すると、瓶は以前の電荷の一部を回復し、2回目の火花を得ることができます。^[38]これはしばしば繰り返され、間隔を置いて長さが短くなる4つまたは5つの火花のシリーズが得られます。この効果は誘電吸収によって引き起こされます。^[39]

ライデン瓶は高電圧装置であり、初期のライデン瓶は最大で20,000～60,000ボルトまで充電できたと推定されている。^[40]中心棒電極の端には金属球が付いており、コロナ放電による電荷の空気中への漏洩を防いでいる。最初は静電気実験で使用され、後にスパークギャップ無線送信機や電気治療機器などの高電圧装置に使用された。

もともと、静電容量の量は、ガラスの厚さと組成が適度に標準的であると仮定して、特定のサイズの「瓶」の数、またはコーティングされた総面積で測定されていました。 1パイントサイズの一般的なライデン瓶の静電容量は約 1 nFです。

18 世紀後半から、電気ショックでさまざまな病気を治療する電気療法の医療分野で使用されました。19 世紀半ばまでには、ライデン瓶は読者がその基本的な動作を知っていて理解しているものと著者が想定できるほど一般的になっていました。 ^{[引用が必要]世紀の変わり目頃には、}スパークギャップ送信機や医療用電気療法装置 で広く使用され始めました。

20 世紀初頭のラジオの新技術の発展により、ライデン瓶のサイズが縮小され、不要なインダクタンスと抵抗も減少しました。これらの改善と誘電体の改良により、ライデン瓶は現代のコンパクトなコンデンサーへと進化しました。

• フランクリンベル
• ヴァンデグラフ発電機

ウィキメディア・コモンズには、ライデン瓶に関連するメディアがあります。

• ライデン瓶 – インタラクティブ Java チュートリアル 国立高磁場研究所
• シェクナー、サラ・J.「ベンジャミン・フランクリンによるライデン瓶と電池の作り方」eRittenhouse 26（2015）。
• ミシェル・マラノウスキー (2015年2月19日). 「電荷があるところに火花が散る！」Science Buddies . 2017年6月19日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2016年9月8日閲覧。科学フェアのプロジェクトのアイデア。