ЛЕЙДЕНСКА БУТИЛКА: ЧАСТИ, ОПЕРАЦИЯ, ЕКСПЕРИМЕНТИ - ФИЗИЧЕСКИ - 2024

В бутилката Лайден е тънка стъклена бутилка или буркан, който съдържа плътно прилепнали метално фолио от вътрешната и друг плътно прилепнали метални филм от външната страна.

Това е първото електрическо устройство в историята, което служи за съхранение на електрически заряди, просто като го докоснете, или от пръта, или от външния лист, с лента, предварително заредена чрез триене (трибоелектричен ефект) или чрез електростатична индукция. Може да се използва и източник на напрежение, като клетка или батерия.

Фигура 1. Фигурата показва типична бутилка Leyden. Вътрешният лист е една от кондензаторните плочи, а външният - другата. Източник: Wikimedia Commons. клон

история

Изобретението на бутилката Лейдън е приписано на Питер ван Мушенброк, професор по физика в университета в Лейден през 1745 г. Независимо и едновременно германският изобретател Евалд Георг фон Клайст също успява да съхранява статично електричество с подобни бутилки, предвиждайки Холандски.

Мюшенброк имал помощта на адвокат на име Куней, когото той поканил в лабораторията си в Лайден. Този нахален характер беше първият, който забеляза, че зарядът се натрупва, като държи флакона с ръка, докато щангата или иглата се зарежда с електростатичната машина.

След като професор Мушенброк изненада всички с изобретението си, следващото подобрение на бутилката Лейден, тъй като устройството най-накрая беше кръстено, беше направено през 1747 г. благодарение на Джон Бевис, лекар, изследовател и не на последно място астрономът, който откри мъглявината на Раците.

Бевис забеляза, че ако покриете външната част на бутилката с тънък лист, няма нужда да я държите с ръка.

Той също така осъзна, че пълненето му с вода или алкохол не е необходимо (оригиналната бутилка Musschenbroek е пълна с течност) и че е необходимо само да се покрие вътрешната стена на бутилката с метално фолио в контакт с пръта, който минава през корка.

По-късните експерименти разкриха, че повече заряд се натрупва, тъй като стъклото става по-тънко, а прилежащата метална повърхност - по-обширна.

Части

Частите на бутилка Leyden са показани на фигура 1. Стъклото действа като изолатор или диелектрик между плочите, в допълнение към сервирането, за да им осигури необходимата опора. Плочите обикновено са тънки листове от калай, алуминий или мед.

За направата на капака на буркана се използва и изолатор, например сухо дърво, пластмаса или стъкло. Капакът е пробит от метален прът, от който виси верига, която служи за осъществяване на електрически контакт с вътрешната плоча.

Материали, необходими за направата на бутилката Лейден

- Стъклена бутилка, като е възможно най-тънка

- Метално фолио (алуминий, калай, мед, олово, сребро, злато), за да покрие отделно, вътрешната и външната част на бутилката.

- Капак с изолационен материал с пробит

- Метална пръчка, за да мине през перфорирания капак и че във вътрешния край има верига или кабел, който осъществява метален контакт с вътрешния лист на бутилката. Другият край на пръта обикновено завършва в сфера, за да се избегнат електрически дъги поради натрупани заряди на краищата.

Фигура 2. Части от бутилка Leyden Източник: Wikimedia Commons.

Функциониращ

За да се обясни натрупването на електрически заряд е необходимо да се започне с установяване на разликата между изолатори и проводници.

Металите са проводими, защото електроните (носители на елементарен отрицателен заряд) могат да се движат свободно в тях. Което не означава, че металът винаги е зареден, всъщност той остава неутрален, когато броят на електроните е равен на броя на протоните.

За разлика от тях, на електроните вътре в изолаторите липсва типичната подвижност на металите. Въпреки това, чрез триене между различни изолационни материали може да се случи, че електрони от повърхността на единия от тях преминават към повърхността на другия.

Връщайки се в бутилката Leyden, в опростена форма това е метално фолио, отделено от изолатор от друго проводимо фолио. Фигура 3 показва схема.

Фигура 3: Опростена схема на бутилката Leyden и как тя придобива заряда. Източник: Фани Сапата.

Да предположим, че външната плоча е заземена, било чрез държане на ръка или чрез жица. Когато се приближи от пръчка, която е положително заредена чрез триене, пръчката, свързваща се с вътрешната плоча, става поляризирана. Това води до разделяне на зарядите във вътрешната плоча на пръта.

Електроните на външната плоча са привлечени от положителните заряди на противоположната плоча и повече електрони достигат до външната плоча от земята.

Когато тази връзка се прекъсне, плочата става отрицателно заредена и когато прътът се отдели, вътрешната плоча става положително заредена.

Кондензатори или кондензатори

Бутилката Лейден беше първият известен кондензатор. Кондензаторът се състои от две метални пластини, разделени от изолатор и те са добре познати в електричеството и електрониката като незаменими елементи на веригата.

Най-простият кондензатор се състои от две плоски плочи с площ А, разделени на разстояние d, много по-малко от размера на плочите.

Капацитетът C за съхранение на заряда в плосък кондензатор на плочата е пропорционален на площта A на плочите и обратно пропорционален на разстоянието d между плочите. Константата на пропорционалност е електрическата пропускливост ε и те са обобщени в следния израз:

Кондензаторът, образуван от бутилката Leyden, може да бъде приблизително изчислен чрез две концентрични цилиндрични плочи с радиуси вътрешна и радиус b за външната плоча и височина L. Разликата в радиусите е именно дебелината на стъклото d, което е разделянето между плочите.

Капацитетът С на цилиндричен пластинен кондензатор се дава от:

Както може да се заключи от този израз, колкото по-голяма е дължината L, толкова по-голям капацитет има устройството.

Капацитет на бутилката Leyden

В случай, че дебелината или разделянето d е много по-малка от радиуса, тогава капацитетът може да бъде приблизително изчислен чрез израза на плоските плочи, както следва:

В предишния израз p е периметърът на цилиндричната плоча и L е височината.

Независимо от формата, максималният заряд Q, който кондензатор може да натрупа, е пропорционален на напрежението на заряда V, като капацитетът на кондензатора C е константата на пропорционалност.

Q = C ⋅ V

Бутилка домашно приготвена Лейден

С лесно достъпните материали у дома и някои ръчни умения можете да подражавате на професор Мушенброк и да изградите бутилка Лейден. За това имате нужда:

- 1 стъклен или пластмасов буркан, например майонеза.

- 1 перфориран пластмасов изолационен капак, през който ще бъде преминат твърд проводник или кабел.

- Правоъгълни ленти от кухненско алуминиево фолио за покриване, залепване или залепване от вътрешната и външната страна на буркана. Важно е алуминиевото покритие да не достига до ръба на буркана, то може да бъде малко по-високо от половината.

- Гъвкав кабел без изолация, който е снабден с вътрешността на пръта, така че да осъществява контакт с алуминиевото фолио, което покрива вътрешността на стената на бутилката.

- Метална сфера (излиза отгоре на капака, за да се избегне ефекта от шипове).

- Кабел без изолация, който ще бъде прикрепен към външния алуминиев лист.

- Владетел и ножици.

- Тиксо.

Забележка: Друга версия, която избягва работата по поставянето на алуминиевото фолио от вътрешната страна, е да напълнете бутилката или буркана с разтвор на вода и сол, който ще действа като вътрешната плоча.

процес

Покрийте бутилката отвътре и отвън с лентите от алуминиево фолио, ако е необходимо те се фиксират с лепящата лента, като внимавате да не превишите прекалено много средата на бутилката.

- Пробийте внимателно капачката, за да преминете медната жица или кабел без изолационен капак, за да поставите вътрешното алуминиево фолио на бутилката в контакт с външната страна, където проводящата сфера трябва да бъде поставена точно над капачката.

- Повече жица без изолация се използва за връзване на външното яке и за извършване на вид дръжка. Целият монтаж трябва да изглежда като това, което е показано на фигури 1 и 4.

Фигура 4. Лейденска бутилка. Източник: Ф. Сапата.

Експерименти

След като бъде построена бутилката Leyden, можете да експериментирате с нея:

Експеримент 1

Ако имате стар телевизор или монитор с катоден лъч, можете да го използвате за зареждане на бутилката. За целта дръжте бутилката с една ръка за външната плоча, като едновременно с това приберете кабела, който се свързва към вътрешната част, затворете и докоснете екрана.

Кабелът, завързан отвън, трябва да е близо до кабела, идващ от вътрешната страна на бутилката. Обърнете внимание, че се появява искра, показваща, че бутилката се е зареждала електрически.

Експеримент 2

Ако нямате подходящ екран, можете да заредите бутилката Leyden, като я държите близо до вълнена кърпа, която току-що взехте от сушилнята за дрехи. Друг вариант за източника на зареждане е да вземете парче пластмасова (PVC) тръба, която предварително е шлифована, за да премахнете мазнините и лака. Разтрийте тръбата с хартиена кърпа, докато е достатъчно заредена.

Препратки

1. Лейдън бутилка. Възстановено от: es.wikipedia.org
2. Електрически инструменти. Лейдън Джар. Възстановено от: Brittanica.com
3. Ендеза обучава. Експеримент: бутилка Leyden Възстановено от: youtube.com.
4. Лейдън Джар. Възстановено от: en.wikipedia.org.
5. Физиката на бурканчето Лейдън в „MacGyver“. Възстановени от: wired.com
6. Типенс, П. Физика: Понятия и приложения. 516-523.