Det Leyden flaske Det er en tynd glasflaske eller kande, som indeholder et tæt metalplade på indersiden og en anden lige så tæt metalfilm på ydersiden.
Det er den første elektriske enhed i historien, der blev brugt til at opbevare elektriske ladninger ved blot at røre ved den, enten ved stangen eller ved det ydre ark, med en stang, der tidligere var ladet med friktion (triboelektrisk effekt) eller ved elektrostatisk induktion. En spændingskilde såsom en celle eller et batteri kan også bruges.
Artikelindeks
Opfindelsen af Leyden-flasken er krediteret til Pieter van Musschenbroek, professor i fysik ved universitetet i Leyden i 1745. Uafhængigt og samtidigt lykkedes den tyske opfinder Ewald Georg von Kleist også at opbevare statisk elektricitet med lignende flasker, idet de hollandske foregribede.
Musschenbroek havde hjælp fra en advokat ved navn Cunaeus, som han havde inviteret til sit laboratorium i Leyden. Denne skæve karakter var den første, der bemærkede, at ladningen akkumuleres ved at holde flasken med hånden, mens han oplader stangen eller nålen med den elektrostatiske maskine..
Efter at professor Musschenbroek overraskede alle med sin opfindelse, blev den næste forbedring af 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-tågen.
Bevis bemærkede, at hvis du dækkede flasken udvendigt med et tyndt ark, var der ingen grund til at holde den med hånden..
Han indså også, at det ikke var nødvendigt at fylde det 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 passerede gennem kork ..
Senere eksperimenter afslørede, at der blev akkumuleret mere ladning, efterhånden som glasset blev tyndere og den tilstødende metaloverflade mere omfattende..
Delene af en Leyden-flaske er vist i figur 1. Glasset fungerer som en isolator eller dielektrikum mellem pladerne foruden at tjene for at give dem den nødvendige støtte. Pladerne er normalt tynd folie af tin, aluminium eller kobber.
En isolator bruges også til at fremstille låget på krukken, for eksempel tørt træ, plast eller glas. Dækslet er gennemboret af en metalstang, hvorfra der hænger en kæde, der tjener til at få elektrisk kontakt med den indvendige plade..
- Glasskrukke, så tynd som muligt
- Metalfolie (aluminium, tin, kobber, bly, sølv, guld) til separat at dække indersiden og ydersiden af flasken.
- Hult isoleringsmateriale.
- Metalstang, der går gennem det perforerede låg, og som i den indvendige ende har en kæde eller et kabel, der kommer i metallisk kontakt med det indre ark af flasken. Den anden ende af stangen ender generelt i en kugle for at undgå elektriske buer på grund af akkumulerede ladninger på spidserne..
For at forklare akkumuleringen af elektrisk ladning er det nødvendigt at starte med at fastslå 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, faktisk forbliver det neutralt, når antallet af elektroner er lig med antallet af protoner..
I modsætning hertil mangler elektronerne inden i isolatorer den typiske mobilitet af metaller. Ved friktion mellem forskellige isoleringsmaterialer kan det imidlertid ske, at elektroner fra overfladen af en af dem passerer til overfladen af den anden..
Vender tilbage til Leyden-flasken i forenklet form er det en metallisk folie adskilt af en isolator fra en anden ledende folie. Figur 3 viser et skematisk diagram.
Antag, at den udvendige plade er jordforbundet, enten manuelt eller med en ledning. Når en stang, der blev ladet positivt ved gnidning, nærmer sig, bliver stangen, der forbinder den indvendige plade, polariseret. Dette fører til en adskillelse af afgifter i det hele stang-indre plade.
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..
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 arealer TIL adskilt en afstand d meget mindre end størrelsen på pladerne.
Kapaciteten C at opbevare opladning i en flad pladekondensator er proportional med arealet TIL plader og omvendt proportional med adskillelsen d mellem pladerne. Konstanten af proportionalitet er elektrisk permittivitet ε og de er opsummeret i følgende udtryk:
C = ε⋅A / d
Kondensatoren dannet af Leyden-flasken kan tilnærmes med to koncentriske cylindriske plader med radier til intern og radio b til indgangspanel og højde L. Forskellen i radierne er netop tykkelsen på glasset d hvad er adskillelsen mellem pladerne?.
Kapaciteten C af en cylindrisk pladekondensator er givet ved:
C = ε⋅2πL / ln (b / a)
Som det kan udledes af dette udtryk, jo længere længde L, jo mere kapacitet har enheden.
I tilfælde af at tykkelsen eller adskillelsen d er meget mindre end radius, så kan kapaciteten tilnærmes ved udtryk for de flade plader som følger:
C ≈ ε⋅2πa L / d = ε⋅p L / d
I ovenstående udtryk s er omkredsen af den cylindriske plade og L højden.
Uanset form, den maksimale belastning Spørgsmål at en kondensator kan akkumulere, er proportional med opladningsspændingen V, være kapaciteten C af kondensatoren proportionalitetskonstanten.
Q = C⋅ V
Med let tilgængelige materialer derhjemme og nogle manuelle færdigheder kan du efterligne professor Musschenbroek og bygge en Leyden-flaske. Til dette har du brug for:
- 1 glas eller plastkrukke, såsom mayonnaise.
- 1 perforeret isoleringshætte af plast, gennem hvilken en stiv ledning eller et kabel føres.
- Rektangulære strimler af køkkenfolie til at dække, lim eller klæbe ind i og uden for krukken. Det er vigtigt, at aluminiumsbelægningen ikke når flaskens kant, den kan være lidt højere end halvdelen.
- Et fleksibelt kabel uden isolering, der splejses på indersiden af stangen, så det kommer i kontakt med aluminiumsfolien, der leder indersiden af flaskens væg.
- Metallisk kugle (går oven på låget for at undgå effekten af pigge).
- Uisoleret ledning, der skal bindes til den ydre aluminiumsfolie.
- Lineal og saks.
- tape.
Bemærk: En anden version, der undgår arbejdet med at placere aluminiumsfolien på indersiden, er at fylde flasken eller krukken med en opløsning af vand og salt, som fungerer som den indre plade..
Dæk flasken indvendigt og udvendigt med aluminiumsfoliestrimlerne, hvis nødvendigt fastgøres de med klæbebåndet, og pas på ikke at overskride midten af flasken for meget.
- Gennemtræng forsigtigt hætten for at passere gennem den nøgne kobbertråd eller kablet for at bringe flaskens indre aluminiumsfolie i kontakt med ydersiden, hvor den ledende kugle skal placeres lige over hætten.
- Mere uisoleret ledning bruges til at binde den ydre kappe og lave en slags håndtag. Hele forsamlingen skal se ud som vist i figur 1 og 4.
Når Leyden-flasken er bygget, kan du eksperimentere med den:
Hvis du har et gammelt tv eller en skærm med en katodestråleskærm, kan du bruge den til at oplade flasken. For at gøre dette skal du holde flasken med den ene hånd ved den ydre plade, mens du holder kablet, der forbinder den indvendige del, tæt og berører skærmen..
Kablet, der er bundet udefra, skal være tæt på kablet, der kommer ind fra flasken. Bemærk, at der opstår en gnist, der viser, at flasken er elektrisk opladet..
Hvis du ikke har en passende skærm, kan du lægge Leyden-flasken ved at holde den tæt på en uldklud, du lige har taget fra tørretumbleren. En anden mulighed for opladningskilden er at tage et stykke plastrør (PVC), der tidligere er blevet slibet for at fjerne fedt og lak. Gnid røret med et papirhåndklæde, indtil det får en tilstrækkelig opladning.
Endnu ingen kommentarer