STEKLENICA LEYDEN: DELI, DELOVANJE, POSKUSI - FIZIČNO - 2025

Steklenice LEYDEN je tanek steklenica ali kozarec, ki vsebuje trdno oprijet kovinska folija na notranji strani in drugega-zatesnjena kovinsko folijo na zunanji strani.

To je prva električna naprava v zgodovini, ki je služila za shranjevanje električnih nabojev preprosto z dotikom bodisi palice ali zunanjega lista, palice, ki je bila predhodno napolnjena s trenjem (triboelektrični učinek) ali z elektrostatično indukcijo. Uporabite lahko tudi vir napetosti, kot je celica ali baterija.

Slika 1. Slika prikazuje tipično Leydenovo steklenico. Notranji list je ena od plošč kondenzatorja, zunanji list pa druga plošča. Vir: Wikimedia Commons. Podružnica

Zgodovina

Izum steklenice Leyden je zaslužen Pieter van Musschenbroek, profesor fizike na univerzi v Leydenu leta 1745. Neodvisno in hkrati je nemškemu izumitelju Ewaldu Georgu von Kleistu uspelo shraniti statično elektriko s podobnimi stekleničkami Nizozemščina

Musschenbroek je imel pomoč odvetnika Cunaeusa, ki ga je povabil v svoj laboratorij v Leydnu. Ta čudaški lik je prvi opazil, da se je naboj, ki ga je nabiral z držanjem viale z roko, medtem ko je palico ali iglo polnil z elektrostatičnim strojem.

Potem ko je profesor Musschenbroek presenetil vse s svojim izumom, je bila naslednja izboljšava na steklenici Leyden, ko je bila naprava končno okrnjena, narejena leta 1747 po zaslugi zdravnika, raziskovalca in ne nazadnje astronoma, ki je odkril Johna Bevisa rakova meglica

Bevis je opozoril, da če zunanjo stran steklenice pokrijete s tankim listom, je ni treba držati v roki.

Prav tako je spoznal, da ga ni treba napolniti z vodo ali alkoholom (prvotna steklenica Musschenbroek je bila napolnjena s tekočino) in da je treba samo pokriti notranjo steno steklenice s kovinsko folijo v stiku s palico, ki prehaja skozi pluto.

Poznejši poskusi so razkrili, da se je več naboja nabiralo, ko je steklo postajalo tanjše, sosednja kovinska površina pa bolj obsežna.

Deli

Deli leydenske steklenice so prikazani na sliki 1. Steklo poleg izolacije služi kot izolator ali dielektrik med ploščami, ki jim nudi potrebno oporo. Plošče so ponavadi tanke plošče iz kositra, aluminija ali bakra.

Za izdelavo pokrova kozarca se uporablja tudi izolator, na primer suh les, plastika ali steklo. Pokrov je prebit s kovinsko palico, iz katere visi veriga, ki služi za električni stik z notranjo ploščo.

Materiali, potrebni za izdelavo steklenice Leyden

- Steklena steklenica, ki je čim tanjša

- Kovinska folija (aluminij, kositer, baker, svinec, srebro, zlato) za ločitev notranjega in zunanjega dela steklenice.

- Pokrivalo iz izoliranega materiala z vrtanjem

- Kovinska palica, ki gre skozi luknjast pokrov in ima na notranjem koncu verigo ali kabel, ki kovinsko stika z notranjim listom steklenice. Drugi konec palice se običajno konča v krogli, da se izognemo električnim lokom zaradi nakopičenih nabojev na koncih.

Slika 2. Deli steklenice Leyden Vir: Wikimedia Commons.

Delovanje

Za razlago kopičenja električnega naboja je treba začeti z določitvijo razlike med izolatorji in vodniki.

Kovine so prevodne, ker se lahko elektroni (nosilci elementarnega negativnega naboja) prosto gibljejo znotraj njih. Kar ne pomeni, da je kovina vedno nabita, pravzaprav ostane nevtralna, ko je število elektronov enako številu protonov.

Nasprotno pa elektroni v izolatorjih nimajo značilne gibljivosti kovin. Z drgnjenjem med različne izolacijske materiale pa se lahko zgodi, da elektroni s površine enega od njih preidejo na površino drugega.

Vrnitev k steklenici Leyden je v poenostavljeni obliki kovinska folija, ločena z izolatorjem od druge prevodne folije. Slika 3 prikazuje shemo.

Slika 3: Poenostavljena shema steklenice Leyden in kako pridobiva naboj. Vir: Fanny Zapata.

Predpostavimo, da je zunanja plošča ozemljena bodisi z roko ali z žico. Ko se približa palici, ki je bila z drgnjenjem pozitivno nabita, palica, ki se poveže z notranjo ploščo, postane polarizirana. To vodi v ločitev nabojev v sklopu plošče, ki je notranja.

Elektroni na zunanji plošči privlačijo pozitivne naboje na nasprotni plošči in več elektronov doseže zunanjo ploščo od tal.

Ko se ta povezava prekine, se plošča negativno napolni, ko pa palico ločimo, postane notranja plošča pozitivno napolnjena.

Kondenzatorji ali kondenzatorji

Steklenica Leyden je bila prvi znani kondenzator. Kondenzator je sestavljen iz dveh kovinskih plošč, ločenih z izolatorjem in sta v elektriki in elektroniki dobro znana kot nepogrešljiva elementa vezja.

Najpreprostejši kondenzator je sestavljen iz dveh ravnih plošč plošč A, ločenih z razdaljo d, veliko manjšo od velikosti plošč.

Zmogljivost C za shranjevanje naboja v ploščatem kondenzatorju plošče je sorazmerna s površino A plošč in obratno sorazmerna z razmikom d med ploščami. Konstanta sorazmernosti je električna dovoljenost ε in jih povzamemo v naslednjem izrazu:

Kondenzator, ki ga tvori Leydenova steklenica, lahko približamo dve koncentrični valjasti plošči z notranjim polmerom in polmerom b za zunanjo ploščo in višino L. Razlika v polmerih je ravno v debelini stekla d, ki je ločitev med ploščami.

Zmogljivost C valjastega kondenzatorja plošče je dana:

Kot je mogoče razbrati iz tega izraza, večja je dolžina L, več zmogljivosti ima naprava.

Zmogljivost steklenice Leyden

V primeru, da je debelina ali ločitev d veliko manjša od polmera, se lahko zmogljivost približa z izrazom ravnih plošč takole:

V prejšnjem izrazu je p obod valjaste plošče in L višina.

Ne glede na obliko je največji naboj Q, ki ga lahko nabere kondenzator, sorazmeren napetosti naboja V, pri čemer je zmogljivost kondenzatorja C stalnica sorazmernosti.

Q = C ⋅ V

Steklenica domačega Leydna

Z lahko dostopnimi materiali doma in nekaj ročnih spretnosti lahko posnemate profesorja Musschenbroeka in sestavite steklenico Leyden. Za to potrebujete:

- 1 stekleni ali plastični kozarec, kot je majoneza.

- 1 perforiran plastični izolacijski pokrov, skozi katerega bo potekala toga žica ali kabel.

- Pravi pravokotni trakovi kuhinjske aluminijaste folije za pokritje, lepljenje ali lepljenje na notranjo in zunanjo stran kozarca. Pomembno je, da aluminijasta prevleka ne doseže roba kozarca, lahko je malo višja od polovice.

- Prožen kabel brez izolacije, ki je zlepljen na notranjo stran palice, tako da vzpostavi stik z aluminijasto folijo, ki pokriva notranjost stene steklenice.

- Kovinska krogla (gre na vrh pokrova, da se prepreči učinek trnov).

- Kabel brez izolacije, ki bo pritrjen na zunanjo aluminijasto pločevino.

- ravnilo in škarje.

- Selotejp.

Opomba: Druga različica, ki se izogiba delu polaganja aluminijaste folije na notranjo stran, je, da steklenico ali kozarec napolnite z raztopino vode in soli, ki bo delovala kot notranja plošča.

Proces

Steklenico prekrijte znotraj in zunaj s trakovi iz aluminijaste folije, po potrebi jih pritrdite z lepilnim trakom, pri čemer pazite, da ne presežete preveč sredine steklenice.

- Pokrov previdno prebodite, da preidete bakreno žico ali kabel brez izolacijskega pokrova, da notranjo aluminijasto folijo steklenice postavite v stik z zunanjo stranjo, kjer je treba prevodno kroglo postaviti nad pokrov.

- Za vezanje zunanjega plašča in izdelavo neke vrste ročaja se uporablja več žice brez izolacije. Celoten sklop mora biti videti kot je prikazano na slikah 1 in 4.

Slika 4. Leydnova steklenica. Vir: F. Zapata.

Poskusi

Ko je steklenica Leyden zgrajena, lahko z njo eksperimentirate:

Preizkus 1

Če imate star televizor ali monitor z katodnim zaslonom, ga lahko uporabite za polnjenje steklenice. To storite tako, da plastenko z eno roko primite za zunanjo ploščo, pri tem pa kabel, ki se priključi na notranji del, zaprete in se dotaknete zaslona.

Kabel, privezan na zunanjo stran, mora biti blizu kabla, ki prihaja iz notranjosti steklenice. Upoštevajte, da se pojavi iskra, ki kaže, da je steklenica postala električno napolnjena.

Preizkus 2

Če nimate ustreznega zaslona, ​​lahko steklenico Leyden naložite tako, da jo držite blizu volnene krpe, ki ste jo ravnokar vzeli iz sušilnika za oblačila. Druga možnost za vir polnjenja je, da vzamete kos plastične (PVC) cevi, ki je bila predhodno brušena za odstranjevanje maščob in laka. Gnetemo cev s papirnato brisačo, dokler ni dovolj napolnjena.

Reference

1. Leydenska steklenica. Pridobljeno: es.wikipedia.org
2. Električni inštrumenti. Leyden Jar. Pridobljeno: Brittanica.com
3. Endesa izobražuje. Eksperiment: steklenica Leyden Pridobljeno: youtube.com.
4. Leyden Jar. Pridobljeno: en.wikipedia.org.
5. Fizika kozarca Leyden v "MacGyverju". Pridobljeno: wired.com
6. Tippens, P. Fizika: pojmi in aplikacije. 516-523.