Leidener Flasche

Die Leidener Flasche, auch Kleistsche Flasche oder Kondensationsflasche ist die älteste Bauform eines Kondensators. Bei der Leidener Flasche sind Metallbeläge auf der Innen- und Außenseite eines Glasgefäßes (beispielsweise einer Flasche) angebracht; das Glas stellt den Isolator dar. Leidener Flaschen besitzen eine hohe Spannungsfestigkeit und werden daher vor allem als Kondensatoren für Hochspannung eingesetzt.

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Entdeckung

Das Prinzip der Leidener Flasche wurde unabhängig voneinander 1745 von dem Domdechanten Ewald Jürgen Georg von Kleist in Cammin (Pommern) und 1746 von dem Physiker Pieter van Musschenbroek in Leiden erfunden, als sie bei Laborversuchen mit entsprechenden Anordnungen von Gläsern und Metallteilen elektrische Stromschläge erhielten.

Von verschiedenen Dokumenten wird auch Andreas Cunaeus als Miterfinder und Freund Musschenbroeks erwähnt, andere setzen Musschenbroek durch den in Klammern angehängten Namen Cunaeus mit diesem gleich.

Aufbau

Kleist hatte bei Experimenten einen Nagel in eine alkoholgefüllte Flasche gesteckt und an eine Elektrisiermaschine angeschlossen. Beim späteren Herausziehen des Nagels erhielt er einen kräftigen Schlag. Musschenbroek machte eine ähnliche Erfahrung. Verschiedene Gelehrte wiederholten den Versuch und variierten die Anordnung. Johann Heinrich Winckler verlegte den Leiter von der Mitte an die Innenwand der Flasche, umgab sie mit einer Ummantelung aus Metall und experimentierte mit verschiedenen Flüssigkeiten wie Wasser, geschmolzener Butter und Wein. Ihre endgültige Form erhielt die Leidener Flasche 1748 durch die beiden Londoner Ärzte William Watson und John Bevis. Sie verzichteten beide auf die Flüssigkeit und verkleideten die Flaschenwände innen und außen mit Stanniol. Der Danziger Physiker Daniel Gralath verband erstmals mehrere Leidener Flaschen zu einer Reihe und konnte so die Wirkung erhöhen.

Eine Leidener Flasche kann man leicht selbst herstellen, indem man eine Glas- oder Plastikflasche mit Wasser oder besser Salzwasser füllt und die Außenseite mit Alufolie beklebt. Aufgrund der vergleichsweise guten Leitfähigkeit des Wassers genügt es, zur Kontaktierung einen Draht in die Flasche zu hängen. Das oben herausragende Drahtende sollte zu einer großen Öse gebogen sein, um Vorentladungen gering zu halten.
PET-Flaschen haben eine Durchschlagsfestigkeit um 60.000 Volt. Um einen ausreichenden Kriechweg einzuhalten, kann man sie nur etwa bis 3/4 der Höhe füllen bzw. belegen. Auch die Zugabe einer Ölschicht über dem Wasser ist diesem Zweck dienlich. Bei derartigen Experimenten ist größte Vorsicht geboten: auch mit schwachen Hochspannungsquellen (beispielsweise Bandgenerator) lassen sich auf diese Weise erhebliche Energien speichern, die potentiell lebensgefährlich sind!

Erste Anwendungen

Bei den damals beliebten öffentlichen Demonstrationen der Elektrizität wurde auch der „Kleistsche Stoß“ vorgeführt, bei dem einer Menschenkette ein Schlag aus einer Leidener Flasche versetzt wurde, wodurch die Versuchpersonen in Zuckungen verfielen. Georg Christoph Lichtenberg schrieb in einem Physiklehrbuch dazu: „Zu Paris glaubte man vor einigen Jahren gefunden zu haben, dass der Stoß immer bey 'frigidis et impotentibus' aufhöre. Der Graf von Artois, der davon hörte, berief dazu die Castraten der Oper; und man fand die Beobachtung falsch. Auf diese Weise ist die Elektrisiermaschine um die Ehre gekommen, dereinst als ein nützliches Instrument in den Versammlungs-Sälen der Consistorien und Ehegerichte zu prangen.“

Physikalisches

Zur Größe und Berechnung der Kapazität siehe den Artikel Kondensator (Elektrotechnik).

Michael Faraday machte darauf aufmerksam, dass zwischen einem geladenen leitfähigen Teil und einer Leidener Flasche kein prizipieller Unterschied besteht: Wird ein Metallteil isolierend in der Luft gehaltert und beispielsweise positiv geladen, so entsteht in der Umgebung, etwa den Wänden eines Zimmers, durch Influenz negative Ladung. Die Zimmerwände bilden dann gewissermaßen die äußere Belegung der Flasche, die zwischenliegende Luft die sehr dicke, isolierende Schicht. Die Leidener Flasche unterscheidet sich nur durch die größere elektrische Kapazität vom einfachen Leiter.

Eine gewaltige Kapazität bilden beispielsweise kupferne Seekabel. Man bemerkte, dass es erst einige Zeit dauerte, bevor man am anderen Ende ein Signal erhielt, weil sich zunächst das lange Kabel aufladen musste. Die Geschwindigkeit des Telegraphierens wurde dadurch wesentlich beeinträchtigt. Später lernte man, die Quellimpedanz der Signale an den Wellenwiderstand des Kabels anzupassen.

Einen Aufbau ähnlich einer Leidener Flasche besitzen auch Bildröhren: deren Glaskolben ist innen und außen leitfähig beschichtet, wodurch sich ein Kondensator bildet, der die Anodenspannung der Röhre (20…30 kV) puffert. Er kann noch lange nach Abschalten der Geräte geladen sein, was bei Reparaturen gefährlich sein kann.

Hochspannungskondensatoren besitzen häufig ebenfalls die Form eines keramischen, innen und außen metallisierten „Gefäßes“.