ライデン瓶

初期のライデン瓶は、栓に金属製のスパイクを刺して水と接触させる構造のボトルで、水を満たした瓶である。

その後、金属箔を使用したより一般的なタイプが登場した（1919年）。

ライデン瓶（またはライデン瓶、古語では クライスト瓶）は、ガラス瓶の内側と外側の導体の間に高電圧の電荷（外部電源から）を蓄える電気部品です。通常、ガラス瓶の内側と外側に金属箔が接着されており、瓶の蓋を垂直に貫通して内側の箔に接触する金属端子が付いています。これはコンデンサー^{[ 1 ]}（コンデンサーとも呼ばれる）の原型でした。 ^{[ 2 ]}

その発明は、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、また1745年から1746年にかけてオランダのライデン（ライデン）の科学者ピーテル・ファン・ムッシェンブルックによってそれぞれ独立に発見されたものである。^{[ 3 ]}

ライデン瓶は電気に関する初期の実験の多くに使用され、その発見は静電気学の研究において極めて重要なものでした。これは、実験者の意のままに放電できる大量の電荷を蓄積・保存する最初の手段であり、初期の電気伝導研究における大きな制約を克服しました。^{[ 4 ]}ライデン瓶は現在でも静電気学の原理を実演するために教育現場で使用されています。^{[ 5 ]}

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付けることをすでに知っていました。琥珀は摩擦帯電効果、つまり誘電体材料における電荷の機械的分離によって帯電します。琥珀を表すギリシャ語はἤλεκτρον ( ēlektron ) で、「electricity」という言葉の語源です。^{[ 6 ]}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あると信じていたため、偶然にも静電気の帯電現象について言及したと考えられており、これが火花の一般的な類推となっています。^{[ 7 ]} 1650 年頃、オットー・フォン・ゲーリケは、シャフト上で回転する硫黄の球という粗雑な静電発電機を作りました。ゲーリケが球に手を当ててシャフトを素早く回すと、静電気が発生しました。この実験は、電気の研究に大きく役立ったさまざまな形の「摩擦機械」の開発を促しました。

ゲオルク・マティアス・ボーゼ（1710年9月22日 - 1761年9月17日）は、静電気学の黎明期における著名な電気実験家でした。彼は、絶縁導体（主導体と呼ばれる）を用いて静電荷を一時的に蓄積する方法を初めて開発した人物として知られています。彼の実験や実証は、ドイツの科学界と一般の人々の電気研究への関心を高めました。

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。最初の発見者はドイツの学部長エヴァルト・ゲオルク・フォン・クライスト、そして、なぜ手に持ったときにのみ機能するのかを解明したオランダの科学者ピーテル・ファン・ムッシェンブルックとアンドレアス・クナエウスです。 ^{[ 8 ]}

フォン・クライスト

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分かれているポメラニア地方のカミン大聖堂の司祭長でした。フォン・クライストは、電気に流体のアナロジーを初めて用いた人物として知られており、指で水から火花を出すことでボースにそれを実証しました。^{[ 9 ]}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て、ライデン瓶の膨大な蓄電能力を発見しました。^{[ 10 ]}

1745年10月、フォン・クライストは、コルクに釘を差し込んだアルコール入りの小さな薬瓶に電気を蓄積しようと試みた。彼は、ゲオルク・マティアス・ボースが開発した、水を通して電気を送り、アルコール飲料に火をつける実験に倣っていた。彼は、摩擦式電気発生装置の上に吊るした大型の導体（ボースが発明したもの）から瓶に電荷を与えようとした。

フォン・クライストは、ガラスが「液体」の流出を妨げることを知っていたので、ガラスの中にかなりの電荷を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たとき、装置から大きなショックを受けた。彼は、1745 年 11 月から 1746 年 3 月にかけて数通の手紙で、少なくとも 5 人の異なる電気実験者に結果を伝えたが、1746 年 4 月まで、彼らが彼の結果を再現したという確認は得られなかった。^{[ 11 ] [ 12 ]}ポーランド・リトアニア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・クライストからポール・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。グララートは 1745 年 12 月に実験を再現しようとして失敗した後、フォン・クライストに詳しい情報を求めて手紙を書いた（そして、アルコールを半分入れた管を使えば実験はうまくいくと言われた）。グララートは（ゴットフリート・ライガーと共同で）1746年3月5日に、釘の入った小さなガラス製の薬瓶を片手に持ち、それを静電発生器に近づけ、次にもう一方の手を釘に近づけることで、意図した効果を得ることに成功した。^{[ 13 ]}フォン・クライストは、導通する手で瓶を持つことの重要性を理解しておらず、彼自身も彼の通信相手も、ショックで部屋の向こう側まで吹き飛ばされる可能性があると告げられると、その装置を持つことを嫌がった。ライデンのフォン・クライストの学生仲間が、手が重要な要素であることに気づくまでにはしばらく時間がかかった。

ムッシェンブルッ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ヶ月以内に、他の電気研究者たちが独自のライデン瓶を作り、実験を始めた。^{[ 20 ]}彼が当初表明した関心の1つは、総電荷量を増やすことができるかどうかを確認することだった。^{[ 21 ]}

ヨハン・ハインリヒ・ウィンクラーは、 1746年5月29日に王立協会に宛てた手紙で、単一のライデン瓶を用いた最初の実験について報告し、同年7月28日には3つのライデン瓶を一種の静電気電池として接続した。 ^{[ 22 ]} 1746年、アベ・ノレ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、180人の近衛兵を通してライデン瓶を放電させ、2番目の実験では、より多くのカルトゥジオ会修道士を通して放電させた。彼らはほぼ同時に空中に飛び上がった。国王も実験対象者も意見は記録されていない。^{[ 23 ]}

ダニエル・グララスは1747年に、1746年に2つまたは3つの瓶を直列に接続して実験を行ったと報告した。^{[ 22 ]}

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^{[ 24 ]}、両面に薄い鉛板を接着した11枚のガラス板を連結したシステムを開発した。彼は1748年の電気研究について1749年に書いた手紙の中で、この静電電池を「電気電池」と表現した^{[ 25 ] [ 26 ]} 。フランクリンが「電池」という言葉を選んだのは、手紙の最後にあるユーモラスな言葉遊びに触発された可能性がある。その手紙の中で彼は、電気研究者への砲撃について書いている^{[ 27 ]}。これが「電気電池」という用語が記録された最初の例である。^{[ 22 ]} 1746年から1748年の間にライデン瓶を接続する方法が急速に発展したため、ライデン瓶を接続して最初の「電池」を作ったのは誰か、直列接続か並列接続か、そして「電池」という用語を最初に使ったのは誰かについて、二次文献にはさまざまな異なる記述が見られるようになった。^{[ 22 ]}この用語は後に複数の電気化学セルの組み合わせに使われるようになり、これが「電池」という用語の現代的な意味となった。

スウェーデンの物理学者、化学者、気象学者であるトルベルン・ベルクマンは、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、静電気の性質の研究を続けた。^{[ 28 ]}

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立した研究を複雑に組み合わせ、ライデン瓶の変形である「空気コンデンサー」を開発した。^これは、誘電体としてガラスではなく空気を使用したものである。ガラスを使用しないこの装置は、電荷がガラス中に存在すると主張していたベンジャミン・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。^{[ 30 ]}

典型的な設計では、ガラス瓶の内側と外側に導電性の錫箔がコーティングされています。箔のコーティングは瓶の口の手前で止まり、箔の間で電荷がアーク放電するのを防ぎます。瓶の口にある非導電性の栓を貫通して金属棒電極が突き出ており、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、帯電できるようにします。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電機またはその他の電荷源によって帯電されます。瓶の内側と外側の表面には、等しいが反対の電荷が蓄積されます。^{[ 31 ]}

この装置の原型は、水が部分的に入ったガラス瓶に、コルク栓を通した金属線を通しただけのものです。外側の板の役割は、実験者の手によって果たされます。すぐにジョン・ベヴィスは（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も同じ効果が得られることを発見しました。^{[ 32 ]}これらの発展に触発されたウィリアム・ワトソンは、同年、内側と外側の両方に金属箔を貼った瓶を作り、水の使用をやめました。^{[ 32 ] [ 33 ]}

初期の実験者たち（例えば1746年のベンジャミン・ウィルソン）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。^{[ 34 ]}

静電気学のさらなる発展により、誘電体材料は必須ではないものの、蓄電能力（静電容量）を高め、電極間のアーク放電を防ぐことが明らかになった。わずかな距離で隔てられた2枚の電極板も、真空中でもコンデンサとして機能する。

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考えられていました。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、水と箔で満たされたライデン瓶の両方について広範な調査を行い、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りました。フランクリンによるこのことを証明すると思われる有名な実験は、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を示し、したがって電荷は誘電体にあるに違いないことを示すものです。この実証の最初の記録は、1749年のフランクリンの手紙にあります。^{[ 35 ]} フランクリンは、実証に広く使用された「分解可能な」ライデン瓶（右）を設計しました。瓶は、ぴったりと合う2つの金属カップの間にガラスカップが入れ子になった構造になっています。瓶に高電圧を印加し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うことができることがわかります。破片を再び組み立てれば、そこから大きな火花が得られる可能性がある。

この実験は、コンデンサが誘電体内部に電荷を蓄えることを示唆しているように見える。この理論は1800年代を通じて教えられていた。しかし、この現象はライデン瓶の高電圧によって引き起こされる特殊な効果である。^{[ 36 ]}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電荷がガラスカップの表面に移動するため、瓶を再組み立てした後も電荷が残る。分解した状態でカップを扱っても、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。^{[ 36 ]}アデンブルック（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かれたガラスで作られた分解可能な瓶では、電荷が金属板に残ることを発見した。^{[ 37 ]}ゼレニー（1944）はこれらの結果を確認し、コロナ電荷移動を観察した。^{[ 38 ]}

帯電し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取り戻し、そこから2回目の火花を得ることができます。^{[ 39 ]}多くの場合、これを繰り返すことができ、長さが短くなる4つまたは5つの火花を一定間隔で得ることができます。この効果は誘電体吸収によって引き起こされます。^{[ 40 ]}

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から​60,000ボルト 。^{[ 41 ]}中央の棒状電極の先端には、コロナ放電による電荷の空気への漏洩を防ぐための金属球が付いています。これは最初に静電気実験で使用され、その後、スパークギャップ無線送信機や電気療法装置などの高電圧機器で使用されました。

元々、静電容量の量は、ガラスの厚さと組成が比較的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パイントサイズの典型的なライデン瓶の静電容量は約1ナノファラッド（nF）です。^{[ 42 ]} 

18世紀後半から、電気ショックによるさまざまな病気の治療に、電気療法という医療分野で使用されるようになった。19世紀半ばには、ライデン瓶は十分に普及し、著者は読者がその基本的な動作を知っていて理解していると想定していた。 ^{[ 43 ]}世紀の変わり目頃には、火花ギャップ送信機や医療用電気療法機器に広く使用されるようになった。

20世紀初頭におけるラジオという新技術の発展は、ライデン瓶の小型化、そして不要なインダクタンスと抵抗の低減を促しました。これらの改良と誘電体の改良により、ライデン瓶は現代の小型コンデンサへと進化を遂げました。

• フランクリンベル
• ヴァンデグラフ起電機
• レイデンジャー・テクノロジーズ

• ライデン瓶 – インタラクティブなJavaチュートリアル国立高磁場研究所
• Schechner, Sara 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」Wayback Machineに2020年10月20日にアーカイブ済み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は火花が散る！」サイエンス・バディーズ。2017年6月19日のオリジナルからアーカイブ。 2016年9月8日閲覧。科学フェアのプロジェクトアイデア。