BUTELKA LEYDENA: CZĘŚCI, DZIAŁANIE, EKSPERYMENTY - FIZYCZNY - 2025

Leyden butelka jest cienka szklana butelka lub słoik, który zawiera Szczelne metalowej folii na wewnętrznej stronie, a inny metal folię szczelną na zewnątrz.

Jest to pierwsze urządzenie elektryczne w historii, które służyło do magazynowania ładunków elektrycznych po prostu dotykając go, albo przez pręt, albo przez zewnętrzną warstwę, prętem wcześniej naładowanym przez tarcie (efekt tryboelektryczny) lub przez indukcję elektrostatyczną. Można również użyć źródła napięcia, takiego jak ogniwo lub bateria.

Rysunek 1. Rysunek przedstawia typową butelkę Leyden. Arkusz wewnętrzny jest jedną z płytek kondensatora, a arkusz zewnętrzny jest drugą płytą. Źródło: Wikimedia Commons. Gałąź

Historia

Wynalazek butelki Leyden przypisuje się Pieterowi van Musschenbroekowi, profesorowi fizyki na Uniwersytecie w Leyden w 1745 roku. Niezależnie i jednocześnie niemiecki wynalazca Ewald Georg von Kleist zdołał również zmagazynować elektryczność statyczną w podobnych butelkach, przewidując Holenderski.

Musschenbroek miał pomoc prawnika imieniem Cunaeus, którego zaprosił do swojego laboratorium w Lejdzie. Ta mądra postać jako pierwsza zauważyła, że ​​ładunek gromadził się, trzymając butelkę ręką, podczas gdy sztabka lub igła była ładowana maszyną elektrostatyczną.

Po tym, jak profesor Musschenbroek zaskoczył wszystkich swoim wynalazkiem, kolejne ulepszenie butelki Leyden, ponieważ urządzenie zostało ostatecznie ochrzczone, zostało wykonane w 1747 roku dzięki Johnowi Bevisowi, lekarzowi, badaczowi i wreszcie astronomowi, który odkrył Mgławica Krab.

Bevis zauważył, że jeśli zakryjesz zewnętrzną stronę butelki cienkim arkuszem, nie ma potrzeby trzymania jej w dłoni.

Zdał sobie również sprawę, że napełnianie jej wodą lub alkoholem nie jest konieczne (oryginalna butelka Musschenbroek była wypełniona płynem) i wystarczyło tylko przykryć wewnętrzną ścianę butelki metalową folią stykającą się z prętem przechodzącym przez korek.

Późniejsze eksperymenty ujawniły, że więcej ładunku gromadziło się, gdy szkło stało się cieńsze, a sąsiednia metalowa powierzchnia była szersza.

Części

Części butelki Leyden pokazano na rysunku 1. Szkło działa jako izolator lub dielektryk pomiędzy płytami, a także zapewnia im niezbędne wsparcie. Płyty są zwykle cienkimi blachami z cyny, aluminium lub miedzi.

Do wykonania wieczka słoika służy również izolator, np. Z suchego drewna, plastiku lub szkła. Pokrywę przebija metalowy pręt, na którym wisi łańcuch służący do kontaktu elektrycznego z płytą wewnętrzną.

Materiały potrzebne do wykonania butelki Leyden

- Szklana butelka, możliwie najcieńsza

- Folia metalowa (aluminium, cyna, miedź, ołów, srebro, złoto) do osobnego przykrycia wewnętrznej i zewnętrznej części butelki.

- Osłona z przewierconego materiału izolacyjnego.

- Metalowy pręt przechodzący przez perforowaną pokrywę, który na wewnętrznym końcu ma łańcuch lub linkę, która styka się metalicznie z wewnętrzną warstwą butelki. Drugi koniec pręta zwykle kończy się kulą, aby uniknąć łuków elektrycznych spowodowanych nagromadzeniem ładunków na końcach.

Rysunek 2. Części butelki Leyden. Źródło: Wikimedia Commons.

Funkcjonowanie

Aby wyjaśnić gromadzenie się ładunku elektrycznego, należy zacząć od ustalenia różnicy między izolatorami a przewodnikami.

Metale przewodzą prąd, ponieważ elektrony (nośniki elementarnego ładunku ujemnego) mogą się w nich swobodnie poruszać. Co nie oznacza, że ​​metal jest zawsze naładowany, w rzeczywistości pozostaje neutralny, gdy liczba elektronów jest równa liczbie protonów.

W przeciwieństwie do elektronów wewnątrz izolatorów brakuje typowej ruchliwości metali. Jednak w wyniku tarcia między różnymi materiałami izolacyjnymi może się zdarzyć, że elektrony z powierzchni jednego z nich przechodzą na powierzchnię drugiego.

Wracając do butelki Leyden, w uproszczonej formie jest to metalowa folia oddzielona izolatorem od innej folii przewodzącej. Rysunek 3 przedstawia schemat.

Rysunek 3: Uproszczony schemat butelki Leyden i sposobu, w jaki uzyskuje ładunek. Źródło: Fanny Zapata.

Załóżmy, że zewnętrzna płyta jest uziemiona, trzymając ją za rękę lub za pomocą drutu. Gdy zbliża się do pręta, który został naładowany dodatnio przez tarcie, pręt łączący się z wewnętrzną płytką ulega polaryzacji. Prowadzi to do rozdzielenia ładunków w zespole pręt-płyta wewnętrzna.

Elektrony na zewnętrznej płytce są przyciągane przez dodatnie ładunki na przeciwległej płycie i więcej elektronów dociera do zewnętrznej płytki z ziemi.

Kiedy to połączenie jest zerwane, płyta zostaje naładowana ujemnie, a gdy pręt jest oddzielony, wewnętrzna płyta zostaje naładowana dodatnio.

Kondensatory lub kondensatory

Butelka Leyden była pierwszym znanym kondensatorem. Kondensator składa się z dwóch metalowych płytek oddzielonych izolatorem i są one dobrze znane w elektryce i elektronice jako niezbędne elementy obwodów.

Najprostszy kondensator składa się z dwóch płaskich płytek o powierzchni A oddzielonych od siebie odległością d znacznie mniejszą niż rozmiar płytek.

Zdolność C do przechowywania ładunku w płaskim kondensatorze jest proporcjonalna do powierzchni A płytek i odwrotnie proporcjonalna do odległości d między płytami. Stałą proporcjonalności jest przenikalność elektryczna ε i podsumowuje je następującym wyrażeniem:

Kondensator utworzony przez butelkę Leydena można przybliżyć dwiema koncentrycznymi cylindrycznymi płytkami o promieniu wewnętrznym a promieniu b dla płytki zewnętrznej i wysokości L. Różnica w promieniu to dokładnie grubość szkła d, czyli odległość między płytami.

Pojemność C cylindrycznego kondensatora płytkowego jest określona wzorem:

Jak można wywnioskować z tego wyrażenia, im dłuższa długość L, tym większą pojemność ma urządzenie.

Pojemność butelki Leyden

W przypadku, gdy grubość lub odstęp d jest znacznie mniejszy niż promień, wówczas pojemność można przybliżyć wyrażeniem płaskich płyt w następujący sposób:

W poprzednim wyrażeniu p to obwód cylindrycznej płyty, a L to wysokość.

Niezależnie od kształtu, maksymalny ładunek Q, jaki może zgromadzić kondensator, jest proporcjonalny do napięcia ładowania V, przy czym pojemność kondensatora C jest stałą proporcjonalności.

Q = C ⋅ V

Butelka domowej roboty Leyden

Dzięki łatwo dostępnym materiałom w domu i pewnym umiejętnościom manualnym możesz naśladować profesora Musschenbroeka i zbudować butelkę Leyden. Do tego potrzebujesz:

- 1 szklany lub plastikowy słoik, np. Majonez.

- 1 perforowana plastikowa osłona izolacyjna, przez którą przechodzi sztywny drut lub kabel.

- Prostokątne paski kuchennej folii aluminiowej do przykrycia, przyklejenia lub przylegania do wnętrza i na zewnątrz słoika. Ważne jest, aby aluminiowa powłoka nie sięgała do krawędzi słoika, może być nieco wyższa niż połowa.

- Elastyczny kabel bez izolacji, który jest podklejony do wnętrza pręta, tak aby stykał się z folią aluminiową pokrywającą wnętrze ścianki butelki.

- Metaliczna kula (wychodzi na wieczko, aby uniknąć efektu kolców)

- Kabel bez izolacji, który zostanie przymocowany do zewnętrznej blachy aluminiowej.

- Linijka i nożyczki.

- Taśma klejąca.

Uwaga: Inną wersją, w której unika się pracy polegającej na umieszczaniu folii aluminiowej od wewnątrz, jest napełnienie butelki lub słoika roztworem wody i soli, który będzie pełnił rolę płytki wewnętrznej.

Proces

Zakryj butelkę od wewnątrz i na zewnątrz paskami folii aluminiowej, w razie potrzeby przymocuj taśmą samoprzylepną, uważając, aby nie przekroczyć zbytnio środka butelki.

- Ostrożnie przekłuć korek, aby przejść przez drut miedziany lub kabel bez osłony izolacyjnej, tak aby wewnętrzna folia aluminiowa butelki stykała się z zewnętrzną stroną, gdzie przewodząca kula powinna być umieszczona tuż nad nakrętką.

- Więcej drutu bez izolacji służy do związania płaszcza zewnętrznego i zrobienia czegoś w rodzaju uchwytu. Całość powinna wyglądać jak na rysunkach 1 i 4.

Rysunek 4. Butelka Leydena. Źródło: F. Zapata.

Eksperymenty

Po zbudowaniu butelki Leyden możesz z nią eksperymentować:

Eksperyment 1

Jeśli masz stary telewizor lub monitor z ekranem katodowym, możesz go użyć do naładowania butelki. Aby to zrobić, jedną ręką trzymaj butelkę za zewnętrzną płytkę, jednocześnie przybliżając kabel łączący z wewnętrzną częścią i dotykając ekranu.

Kabel przywiązany na zewnątrz powinien znajdować się blisko kabla wychodzącego z wnętrza butelki. Zwróć uwagę, że pojawia się iskra wskazująca, że ​​butelka została naładowana elektrycznie.

Eksperyment 2

Jeśli nie masz odpowiedniego sitka, możesz załadować butelkę Leyden, trzymając ją blisko wełnianej szmatki, którą właśnie wyjęłeś z suszarki. Inną opcją dla źródła ładowania jest wzięcie kawałka plastikowej (PVC) rurki, która została wcześniej przeszlifowana w celu usunięcia smaru i lakieru. Wytrzyj rurkę ręcznikiem papierowym, aż będzie wystarczająco naładowana.

Bibliografia

1. Butelka Leyden. Odzyskane z: es.wikipedia.org
2. Przyrządy elektryczne. Leyden Jar. Odzyskane z: Brittanica.com
3. Endesa edukuje. Eksperyment: butelka Leyden. Odzyskany z: youtube.com.
4. Leyden Jar. Odzyskane z: en.wikipedia.org.
5. Fizyka słoika Leyden w „MacGyver”. Odzyskany z: wired.com
6. Tippens, P. Physics: Concepts and Applications. 516-523.