LEYDEN FLASKE: DELE, BETJENING, EKSPERIMENTER - FYSISK - 2024

Den Leyden flasken er en tynd glasflaske eller krukke, der indeholder en tæt montering metalfolie på indersiden og en anden tætsluttende metalfilm på ydersiden.

Det er den første elektriske enhed i historien, der blev brugt til at opbevare elektriske ladninger simpelthen ved at berøre den, enten ved stangen eller ved det ydre ark, med en stang, der tidligere er ladet af friktion (triboelektrisk effekt) eller ved elektrostatisk induktion. En spændingskilde, såsom en celle eller batteri, kan også bruges.

Figur 1. Figuren viser en typisk Leyden-flaske. Det indre ark er en af ​​kondensatorpladerne, og det ydre ark er den anden plade. Kilde: Wikimedia Commons. Afdeling

Historie

Opfindelsen af ​​Leyden-flasken krediteres Pieter van Musschenbroek, professor i fysik ved universitetet i Leyden i 1745. Uafhængigt af og samtidig lykkedes den tyske opfinder Ewald Georg von Kleist også at opbevare statisk elektricitet med lignende flasker, og foregribe Hollandske.

Musschenbroek havde hjælp fra en advokat ved navn Cunaeus, som han havde inviteret til sit laboratorium i Leyden. Denne sagagiske karakter var den første, der bemærkede, at ladningen akkumulerede ved at holde hætteglasset med hånden, mens stangen eller nålen blev ladet med den elektrostatiske maskine.

Efter at professor Musschenbroek overraskede alle med sin opfindelse, blev den næste forbedring på Leyden-flasken, da enheden endelig blev døbt, foretaget i 1747 takket være John Bevis, en læge, forsker og sidst men ikke mindst astronomen, der opdagede Krabbe Nebula.

Bevis bemærkede, at hvis du dækkede ydersiden af ​​flasken med et tyndt ark, var der ingen grund til at holde den med din hånd.

Han indså også, at det ikke var nødvendigt at fylde den med vand eller alkohol (den originale Musschenbroek-flaske var fyldt med væske), og at det kun var nødvendigt at dække flaskens indvendige væg med metalfolie i kontakt med stangen, der passerer gennem korkken.

Senere eksperimenter afslørede, at der blev samlet mere ladning, efterhånden som glasset blev tyndere og den tilstødende metaloverflade mere omfattende.

Dele

Delerne af en Leyden-flaske er vist i figur 1. Glasset fungerer som en isolator eller dielektrikum mellem pladerne ud over at tjene til at give dem den nødvendige støtte. Pladerne er normalt tynde lag tin, aluminium eller kobber.

En isolator bruges også til at fremstille låget på beholderen, for eksempel tørt træ, plast eller glas. Dækslet er gennemboret af en metalstang, hvorfra en kæde hænger, der tjener til at skabe elektrisk kontakt med den indvendige plade.

Nødvendige materialer til fremstilling af Leyden-flasken

- Glasflaske, der er så tynd som muligt

- Metalfolie (aluminium, tin, kobber, bly, sølv, guld) til at dække separat, den indre og den ydre del af flasken.

- Boret isoleringsmateriel dækning

- Metalstang for at gå gennem det perforerede låg, og at den inderste ende har en kæde eller kabel, der skaber metallisk kontakt med flaskens indre ark. Den anden ende af stangen ender generelt i en kugle for at undgå elektriske buer på grund af akkumulerede ladninger på enderne.

Figur 2. Dele af en Leyden-flaske. Kilde: Wikimedia Commons.

Fungerende

For at forklare ophobningen af ​​elektrisk ladning er det nødvendigt at starte med at bestemme forskellen mellem isolatorer og ledere.

Metaller er ledende, fordi elektroner (bærere af elementær negativ ladning) kan bevæge sig frit inden i dem. Hvilket ikke betyder, at metallet altid er ladet, det forbliver faktisk neutralt, når antallet af elektroner er lig med antallet af protoner.

I modsætning hertil mangler elektroner inde i isolatorer den typiske mobilitet for metaller. Ved at gnide imellem forskellige isoleringsmaterialer kan det dog ske, at elektroner fra overfladen til den ene af dem passerer til overfladen på den anden.

Vender tilbage til Leyden-flasken, i forenklet form, er det en metallisk folie, der er adskilt af en isolator fra en anden ledende folie. Figur 3 viser et skematisk billede.

Figur 3: Forenklet diagram over Leyden-flasken, og hvordan den opnår ladningen. Kilde: Fanny Zapata.

Antag, at den udvendige plade er jordet, enten ved at holde i hånden eller med en ledning. Når man nærmer sig en stang, der blev positivt ladet ved gnidning, bliver stangen, der forbinder til den indre plade, polariseret. Dette fører til en adskillelse af ladninger i stangen-indvendige pladesamlingen.

Elektroner på den ydre plade tiltrækkes af de positive ladninger på den modsatte plade, og flere elektroner når den ydre plade fra jorden.

Når denne forbindelse er brudt, bliver pladen negativt ladet, og når stangen adskilles, bliver den indre plade positivt ladet.

Kondensatorer eller kondensatorer

Leyden-flasken var den første kendte kondensator. En kondensator består af to metalplader adskilt af en isolator, og de er velkendte inden for elektricitet og elektronik som uundværlige kredsløbselementer.

Den enkleste kondensator består af to flade plader med areal A adskilt med en afstand d, der er meget mindre end pladenes størrelse.

Kapaciteten C til at opbevare ladning i en flad pladekondensator er proportional med pladenes område A og omvendt proportional med afstanden d mellem pladerne. Proportionalitetskonstanten er den elektriske permittivitet ε, og de sammenfattes i følgende udtryk:

Kondensatoren dannet af Leyden flasken kan tilnærmes med to koncentriske cylindriske plader med radier en indvendig og radius b for den ydre plade og højde L. Forskellen i radier er netop tykkelsen på glasset d, som er adskillelsen mellem pladerne.

Kapaciteten C i en cylindrisk pladekondensator er givet af:

Som det kan udledes af dette udtryk, jo længere længde L, jo større kapacitet har enheden.

Leyden flaske kapacitet

I tilfælde af at tykkelsen eller separationen d er meget mindre end radius, kan kapaciteten tilnærmes ved udtrykket af de flade plader som følger:

I det forrige udtryk er p den cylindriske plades omkreds, og L er højden.

Uanset formen er den maksimale ladning Q, som en kondensator kan akkumulere, proportional med ladningsspændingen V, hvor kondensatorens kapacitet C er proportionalitetskonstanten.

Q = C ⋅ V

Flaske hjemmelavet Leyden

Med let tilgængelige materialer derhjemme og lidt manuel dygtighed, kan du efterligne professor Musschenbroek og bygge en Leyden-flaske. Til dette har du brug for:

- 1 glas eller plastkrukke, såsom mayonnaise.

- 1 perforeret isoleringsplade af plast, gennem hvilket en stiv ledning eller kabel føres.

- Rektangulære strimler af køkkenaluminiumsfolie til at dække, klæbe eller klæbe til indersiden og ydersiden af ​​krukken. Det er vigtigt, at aluminiumbelægningen ikke når kanten af ​​beholderen, den kan være lidt højere end halvdelen.

- Et fleksibelt kabel uden isolering, der er skjøtet på indersiden af ​​stangen, så det kommer i kontakt med aluminiumsfolien, der dækker indersiden af ​​flasken.

- Metallisk kugle (går oven på låget for at undgå virkningen af ​​pigge).

- Kabel uden isolering, der vil blive fastgjort til det ydre aluminiumsark.

- Lineal og saks.

- Tape.

Bemærk: En anden version, der undgår arbejdet med at placere aluminiumsfolien på indersiden, er at fylde flasken eller beholderen med en opløsning af vand og salt, der fungerer som den indvendige plade.

Behandle

Dæk flasken indvendigt og udvendigt med aluminiumsfoliebåndene, hvis nødvendigt fastgøres de med klæbebåndet, og pas på ikke at overskride midten af ​​flasken for meget.

- gennembor forsigtigt hætten for at passere kobbertråden eller kablet uden isolerende dæksel, så den indre aluminiumsfolie på flasken kommer i kontakt med ydersiden, hvor den ledende kugle skal placeres lige over hætten.

- Mere tråd uden isolering bruges til at binde yderkappen og fremstille et slags håndtag. Hele samlingen skal se ud som vist i figur 1 og 4.

Figur 4. Leyden flaske. Kilde: F. Zapata.

Eksperimenter

Når Leyden-flasken er bygget, kan du eksperimentere med den:

Eksperiment 1

Hvis du har et gammelt tv eller en skærm med en katodestråleskærm, kan du bruge det til at oplade flasken. For at gøre dette skal du holde flasken med en hånd ved den ydre plade, mens du fører kablet, der forbindes til den inderste del, og rører ved skærmen.

Kablet, der er bundet til ydersiden, skal være tæt på kablet, der kommer fra indersiden af ​​flasken. Bemærk, at der opstår en gnist, der viser, at flasken er blevet elektrisk ladet.

Eksperiment 2

Hvis du ikke har en passende skærm, kan du indlæse Leyden-flasken ved at holde den tæt på en uldklæde, som du lige har taget ud af tørretumbleren. En anden mulighed for opladningskilden er at tage et stykke plastik (PVC) rør, der tidligere er slibet for at fjerne fedt og lak. Gnid røret med et papirhåndklæde, indtil det er tilstrækkeligt opladet.

Referencer

1. Leyden flaske. Gendannet fra: es.wikipedia.org
2. Elektriske instrumenter. Leyden Jar. Gendannes fra: Brittanica.com
3. Endesa uddanner. Eksperiment: Leyden flaske. Gendannes fra: youtube.com.
4. Leyden Jar. Gendannet fra: en.wikipedia.org.
5. Leyden-krukens fysik i "MacGyver". Gendannes fra: wired.com
6. Tippens, P. Fysik: koncepter og applikationer. 516-523.