LEYDENOVA FĽAŠA: ČASTI, PREVÁDZKA, EXPERIMENTY - FYZICKÝ - 2024

Leyden fľaša je tenká sklenená fľaša alebo nádoba, ktorá obsahuje tesne priliehajúce kovové fólie na vnútornej strane a iným priliehavé kovovej fólie na vonkajšej strane.

Je to prvé elektrické zariadenie v histórii, ktoré slúžilo na ukladanie elektrických nábojov jednoduchým dotykom s tyčou alebo vonkajšou vrstvou, s tyčou predtým nabitou trením (triboelektrický efekt) alebo elektrostatickou indukciou. Môže sa použiť aj zdroj napätia, ako je článok alebo batéria.

Obrázok 1. Obrázok ukazuje typickú Leydenovu fľašu. Vnútorná vrstva je jednou z kondenzátorových dosiek a vonkajšia vrstva je druhá doska. Zdroj: Wikimedia Commons. vetva

histórie

Vynález Leydenovej fľaše sa pripisuje Pieterovi van Musschenbroekovi, profesorovi fyziky na univerzite v Leydene v roku 1745. Nemeckému vynálezcovi Ewaldovi Georgovi Kleistovi sa nezávisle a súčasne podarilo uložiť statickú elektrinu do podobných fliaš, pričom očakával dutch.

Musschenbroek mal za pomoci právnika menom Cunaeus, ktorého pozval do svojho laboratória v Leydene. Táto ušľachtilá postava si ako prvá všimla, že náboj sa akumuloval držaním injekčnej liekovky s rukou, zatiaľ čo tyč alebo ihla bola nabíjaná elektrostatickým strojom.

Potom, čo profesor Musschenbroek svojím prekvapením každého prekvapil, ďalšie zlepšenie na Leydenovej fľaši, keď bolo zariadenie definitívne pokrstené, sa uskutočnilo v roku 1747 vďaka lekárovi, výskumníkovi Johnovi Bevisovi av neposlednom rade astronómovi, ktorý objavil Krabia hmlovina.

Bevis poznamenal, že ak ste vonkajšiu stranu fľaše prikryli tenkou plachtou, nemuseli ste ju držať za ruku.

Tiež si uvedomil, že nie je potrebné jeho plnenie vodou alebo alkoholom (pôvodná fľaša Musschenbroek bola naplnená tekutinou) a že bolo potrebné zakryť vnútornú stenu fľaše kovovou fóliou v kontakte s tyčou, ktorá prechádza korkom.

Neskoršie experimenty odhalili, že sa hromadilo viac náboja, keď sa sklo stenčovalo a priľahlý kovový povrch sa rozširoval.

časti

Časti Leydenovej fľaše sú znázornené na obrázku 1. Sklo slúži ako izolátor alebo dielektrikum medzi doskami, okrem toho, že slúži na poskytnutie potrebnej podpory. Dosky sú zvyčajne tenké plechy z cínu, hliníka alebo medi.

Izolátor sa tiež používa na výrobu veka nádoby, napríklad suché drevo, plast alebo sklo. Kryt je prepichnutý kovovou tyčou, z ktorej visí retiazka, ktorá slúži na elektrický kontakt s vnútornou doskou.

Materiály potrebné na výrobu Leydenovej fľaše

- Sklenená fľaša je čo najtenšia

- Kovová fólia (hliník, cín, meď, olovo, striebro, zlato) na osobitné zakrytie vnútornej a vonkajšej časti fľaše.

- Kryt vŕtaného izolačného materiálu.

- Kovová tyčinka prechádzajúca perforovaným vekom a na vnútornom konci má reťaz alebo kábel, ktorý vytvára kovový kontakt s vnútornou vrstvou fľaše. Druhý koniec tyče obvykle končí v gule, aby sa zabránilo elektrickým oblúkom spôsobeným akumulovanými nábojmi na koncoch.

Obrázok 2. Časti fľaše Leyden. Zdroj: Wikimedia Commons.

fungovanie

Na vysvetlenie akumulácie elektrického náboja je potrebné začať stanovením rozdielu medzi izolátormi a vodičmi.

Kovy sú vodivé, pretože elektróny (nosiče elementárneho záporného náboja) sa v nich môžu voľne pohybovať. Čo neznamená, že kov je vždy nabitý, v skutočnosti zostáva neutrálny, keď sa počet elektrónov rovná počtu protónov.

Naproti tomu elektróny vo vnútri izolátorov nemajú typickú mobilitu kovov. Avšak trením medzi rôznymi izolačnými materiálmi sa môže stať, že elektróny z povrchu jedného z nich prechádzajú na povrch druhého.

Vracajúc sa do Leydenovej fľaše je v zjednodušenej forme kovová fólia oddelená izolátorom od inej vodivej fólie. Obrázok 3 zobrazuje schému.

Obrázok 3: Zjednodušená schéma fľaše Leyden a spôsobu získania náboja. Zdroj: Fanny Zapata.

Predpokladajme, že vonkajšia platňa je uzemnená, buď držaním ruky alebo drôtom. Keď sa pritiahne k tyči, ktorá bola kladne nabitá oterom, tyč pripojená k vnútornej doske sa polarizuje. To vedie k oddeleniu nábojov v zostave tyč-vnútorná doska.

Elektróny na vonkajšej doske sú priťahované k pozitívnym nábojom na protiľahlej doske a viac elektrónov sa dostáva na vonkajšiu dosku zo zeme.

Keď sa toto spojenie preruší, doska sa negatívne nabije a keď sa tyč oddelí, vnútorná doska sa pozitívne nabije.

Kondenzátory alebo kondenzátory

Leydenova fľaša bola prvým známym kondenzátorom. Kondenzátor sa skladá z dvoch kovových dosiek oddelených izolátorom a sú dobre známe v elektrine a elektronike ako nevyhnutné obvodové prvky.

Najjednoduchší kondenzátor pozostáva z dvoch plochých dosiek oblasti A oddelených vzdialenosťou d oveľa menšou ako je veľkosť dosiek.

Kapacita C na ukladanie náboja v kondenzátore s plochými doskami je úmerná ploche A dosiek a nepriamo úmerná rozstupu d medzi doskami. Konštanciou proporcionality je elektrická permitivita ε a sú zhrnuté v nasledujúcom výraze:

Kondenzátor tvorený Leydenovou fľašou môže byť aproximovaný dvoma koncentrickými valcovými doskami s polomermi a vnútornými a polomermi b pre vonkajšiu dosku a výškou L. Rozdiel v polomeroch je presne hrúbka skla d, čo je vzdialenosť medzi doskami.

Kapacita C kondenzátora s valcovou platňou je daná:

Ako možno odvodiť z tohto výrazu, čím dlhšia je dĺžka L, tým väčšia kapacita je zariadenie.

Objem fľaše Leyden

V prípade, že hrúbka alebo vzdialenosť d je oveľa menšia ako polomer, potom sa kapacita dá aproximovať vyjadrením plochých dosiek takto:

V predchádzajúcom výraze p je obvod valcovej dosky a L je výška.

Bez ohľadu na tvar je maximálny náboj Q, ktorý môže kondenzátor akumulovať, úmerný napätiu V náboja, kapacita C kondenzátora je konštanta proporcionality.

Q = C = V

Fľaša domáceho Leydena

S doma dostupnými materiálmi a niekoľkými manuálnymi zručnosťami môžete napodobniť profesora Musschenbroeka a postaviť fľašu Leyden. Na to potrebujete:

- 1 sklenená alebo plastová nádoba, napríklad majonéza.

- 1 perforovaný plastový izolačný kryt, cez ktorý prechádza pevný drôt alebo kábel.

- Obdĺžnikové prúžky kuchynskej hliníkovej fólie na zakrytie, prilepenie alebo prilepenie na vnútornú a vonkajšiu stranu nádoby. Je dôležité, aby hliníkový poťah nedosahoval okraj nádoby, mohol byť o niečo vyšší ako polovica.

- Flexibilný kábel bez izolácie, ktorý je pripevnený k vnútornej strane tyče, takže sa dotýka hliníkovej fólie, ktorá zakrýva vnútornú stranu steny fľaše.

- Kovová guľa (ide na vrch veka, aby sa predišlo účinkom hrotov).

- Kábel bez izolácie, ktorý bude pripevnený k vonkajšiemu hliníkovému plechu.

- Pravítko a nožnice.

- Lepiaca páska.

Poznámka: Ďalšou verziou, ktorá sa vyhýba práci umiestnenia hliníkovej fólie na vnútornej strane, je naplnenie fľaše alebo nádoby roztokom vody a soli, ktorý bude pôsobiť ako vnútorná doska.

proces

Fľašu prikryte zvnútra a zvonka prúžkami z hliníkovej fólie, ak sú potrebné, sú pripevnené lepiacou páskou, pričom dávajte pozor, aby ste príliš nepresiahli stred fľaše.

- Opatrne prepichnite uzáver, aby prešiel medeným drôtom alebo káblom bez izolačného krytu, aby sa vnútorná hliníková fólia fľaše dostala do kontaktu s vonkajšou stranou, kde by vodivá guľa mala byť umiestnená tesne nad uzáverom.

- Viac drôtu bez izolácie sa používa na zviazanie vonkajšieho plášťa a vytvorenie nejakej rukoväte. Celá zostava by mala vyzerať ako na obrázkoch 1 a 4.

Obrázok 4. Leydenova fľaša. Zdroj: F. Zapata.

pokusy

Po vytvorení fľaše Leyden môžete s ňou experimentovať:

Pokus 1

Ak máte starý televízor alebo monitor s obrazovkou s katódovým lúčom, môžete ho použiť na nabíjanie fľaše. Za týmto účelom držte fľašu jednou rukou za vonkajšiu platňu, zatiaľ čo kábel, ktorý sa pripája k vnútornej časti, je blízko a dotýka sa obrazovky.

Kábel priviazaný na vonkajšej strane by mal byť blízko ku káblu vychádzajúcemu z vnútornej strany fľaše. Všimnite si, že sa objaví iskra, ktorá ukazuje, že sa fľaša elektricky nabila.

Pokus 2

Ak nemáte vhodnú obrazovku, môžete naplniť Leydenovu fľašu tak, že ju držíte blízko vlnenej látky, ktorú ste práve vybrali zo sušiča na prádlo. Ďalšou možnosťou zdroja nabíjania je odobrať kus plastovej rúrky (PVC), ktorá bola predtým obrúsená, aby sa odstránili mastnoty a laky. Trubicu trite papierovou utierkou, kým nie je dostatočne nabitá.

Referencie

1. Leydenova fľaša. Obnovené z: es.wikipedia.org
2. Elektrické prístroje. Leyden Jar. Získané z: Brittanica.com
3. Endesa vychováva. Pokus: Leydenova fľaša. Obnovené z: youtube.com.
4. Leyden Jar. Obnovené z: en.wikipedia.org.
5. The Physics of Leyden jar in "MacGyver". Obnovené z: wired.com
6. Tippens, P. Physics: Koncepty a aplikácie. 516-523.