LEYDEN BUTELIS: DALYS, OPERACIJA, EKSPERIMENTAI - FIZINIS - 2024

„ Leyden“ buteliukas yra plonas stiklinis butelis arba indas, kurio viduje yra sandariai pritvirtinta metalinė folija, o išorėje - kita sandari metalinė plėvelė.

Tai yra pirmasis istorijoje elektrinis įtaisas, kuris saugo elektros krūvius tiesiog palietus jį prie strypo arba išorinio lakšto, su strypu, anksčiau įkrautu trinties (triboelektrinio efekto) arba elektrostatinės indukcijos dėka. Taip pat gali būti naudojamas toks įtampos šaltinis kaip elementas ar baterija.

1 pav. Paveikslėlyje parodytas tipiškas Leyden butelis. Vidinis lapas yra viena iš kondensatoriaus plokščių, o išorinis lapas yra kita plokštė. Šaltinis: „Wikimedia Commons“. Filialas

Istorija

Leydeno butelio išradimas įskaitytas 1745 m. Leydeno universiteto fizikos profesoriui Pieteriui van Musschenbroekui. Nepriklausomai ir tuo pačiu metu vokiečių išradėjas Ewald Georg von Kleist taip pat sugebėjo laikyti statinę elektros energiją panašiuose buteliuose, numatydamas, kad Olandų.

Musschenbroekui prireikė advokato, vardu Cunaeus, kurį jis pakvietė į savo laboratoriją Leydene. Šis nuovokus veikėjas pirmasis pastebėjo, kad krūvis, susikaupęs laikant buteliuką ranka, kol strypas ar adata buvo įkraunami elektrostatiniu aparatu.

Po to, kai profesorius Musschenbroekas visus nustebino savo išradimu, kitas Leydeno buteliuko patobulinimas, kai prietaisas buvo galutinai pakrikštytas, buvo padarytas 1747 m. Dėka gydytojo, tyrėjo ir paskutiniojo, bet ne mažiau svarbiausio astronomo, kuris atrado Johno Beviso. krabų ūkas.

Bevis pastebėjo, kad jei butelio išorę uždengėte plonu lakštu, nereikėjo jo laikyti ranka.

Jis taip pat suprato, kad jo nereikia pripildyti vandens ar alkoholio (originalus „Musschenbroek“ butelis buvo užpildytas skysčiu) ir kad reikėjo tik uždengti vidinę butelio sienelę metaline folija, liečiant lazdelę, einančią per kamštį.

Vėlesni eksperimentai atskleidė, kad daugiau krūvio susikaupė, kai stiklas tapo plonesnis, o gretimas metalo paviršius - platesnis.

Dalys

„Leyden“ buteliuko dalys parodytos 1 paveiksle. Stiklas veikia kaip izoliatorius arba dielektrikas tarp plokštelių, be to, kad tarnautų tam, kad suteiktų jiems reikiamą atramą. Plokštės paprastai yra ploni alavo, aliuminio arba vario lakštai.

Izoliatorius taip pat naudojamas stiklainio dangčiui gaminti, pavyzdžiui, sausai medienai, plastikui ar stiklui. Dangtis yra pradurta metaline lazdele, iš kurios kabo grandinė, kuri užmezga elektros kontaktą su vidine plokšte.

Medžiagos, reikalingos Leyden buteliui gaminti

- Stiklinis butelis, kiek įmanoma plonesnis

- Metalinė folija (aliuminis, alavas, varis, švinas, sidabras, auksas), skirta atskirai uždengti butelio vidinę ir išorinę dalis.

- gręžtos izoliacinės medžiagos dangtis.

- Metalinis strypas eina per perforuotą dangtį, o vidiniame gale yra grandinė ar laidas, kuris metaliniu būdu kontaktuoja su vidiniu butelio lakštu. Kitas strypo galas paprastai baigiasi rutuliu, kad būtų išvengta elektros lankų dėl susikaupusių krūvių ant galų.

2 pav. Leyden butelio dalys. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Veikiantis

Norint paaiškinti elektros krūvio kaupimąsi, reikia pradėti nustatant skirtumą tarp izoliatorių ir laidininkų.

Metalai yra laidūs, nes elektronai (neigiamo elementinio krūvio nešėjai) juose gali laisvai judėti. Tai nereiškia, kad metalas visada yra įkrautas, iš tikrųjų jis išlieka neutralus, kai elektronų skaičius yra lygus protonų skaičiui.

Priešingai, izoliatorių viduje esantiems elektronams trūksta tipiško metalų judrumo. Tačiau trinant tarp skirtingų izoliacinių medžiagų gali atsitikti, kad elektronai iš vienos jų paviršiaus pereina į kitos paviršių.

Grįžtant prie Leyden butelio, supaprastinta forma tai yra metalinė folija, atskirta izoliatoriumi nuo kitos laidžios folijos. 3 paveiksle pavaizduota schema.

3 paveikslas. Supaprastinta Leyden butelio schema ir kaip jis surenka krūvį. Šaltinis: Fanny Zapata.

Tarkime, kad išorinė plokštė yra įžeminta rankomis arba viela. Kai priartėjama prie strypo, kuris buvo teigiamai įkrautas trinant, strypas, jungiantis prie vidinės plokštės, tampa poliarizuotas. Dėl to strypo ir vidinės plokštės komplekte atsiskiria krūviai.

Išorinėje plokštėje esantys elektronai traukia teigiamus krūvius priešingoje plokštėje ir daugiau elektronų pasiekia išorinę plokštę iš žemės.

Nutraukus šį ryšį, plokštė tampa neigiamai įkrauta, o kai strypas atsiskiria, vidinė plokštė tampa teigiamai įkrauta.

Kondensatoriai arba kondensatoriai

„Leyden“ butelis buvo pirmasis žinomas kondensatorius. Kondensatorių sudaro dvi metalinės plokštės, atskirtos izoliatoriumi, ir jos gerai žinomos elektros energijoje ir elektronikoje kaip būtini grandinės elementai.

Paprasčiausią kondensatorių sudaro dvi plokščios plokštės, kurių plotas A yra atskirtas atstumu d, kuris yra daug mažesnis už plokštelių dydį.

Talpa C kaupti akumuliatorių plokščiame kondensatoriuje yra proporcinga plokščių plotui A ir atvirkščiai proporcinga tarpai d tarp plokščių. Proporcingumo konstanta yra elektrinis laidumas ε ir jie apibendrinti taip:

Leyden butelio suformuotas kondensatorius gali būti apytiksliai suderintas dviem koncentrinėmis cilindrinėmis plokštėmis, kurių spindulys yra vidinis, o spindulys b yra išorinės plokštės ir L aukščio. Spindulių skirtumas yra būtent stiklo storis d, kuris yra skirtumas tarp plokštelių.

Cilindrinio plokštelinio kondensatoriaus talpa C apskaičiuojama pagal:

Kaip galima spręsti iš šios išraiškos, kuo ilgesnis L, tuo daugiau prietaiso talpos.

Leyden butelio talpa

Jei storis arba atskyrimas d yra daug mažesnis už spindulį, tada talpą galima apytiksliai apskaičiuoti taip:

Ankstesnėje išraiškoje p yra cilindrinės plokštės perimetras, o L yra aukštis.

Nepriklausomai nuo formos, maksimalus krūvis Q, kurį gali sukaupti kondensatorius, yra proporcingas įkrovimo įtampai V, o kondensatoriaus talpa C yra proporcingumo konstanta.

Q = C ⋅ V

Butelis naminės Leydenos

Turėdami lengvai prieinamų medžiagų namuose ir naudodamiesi tam tikrais rankiniais įgūdžiais, galite mėgdžioti profesorių Musschenbroeką ir pasigaminti „Leyden“ butelį. Tam jums reikia:

- 1 stiklinis arba plastikinis indas, pavyzdžiui, majonezas.

- 1 perforuotas plastikinis izoliacinis dangtis, per kurį bus pravesta standi viela ar kabelis.

- Stačiakampės virtuvinės aliuminio folijos juostelės, skirtos uždengti, priklijuoti ar priklijuoti stiklainio vidų ir išorę. Svarbu, kad aliuminio danga nepasiektų stiklainio krašto, ji gali būti šiek tiek didesnė nei pusė.

- Lankstus laidas be izoliacijos, įrišamas į lazdelės vidų, kad jis liestųsi su aliuminio folija, uždengiančia butelio sienos vidų.

- metalinė sfera (eina ant dangčio viršaus, kad būtų išvengta smaigalių poveikio).

- Kabelis be izoliacijos, kuris bus pritvirtintas prie išorinio aliuminio lakšto.

- Liniuotė ir žirklės.

- Lipni juosta.

Pastaba: Kita versija, kuria išvengiama aliuminio folijos įdėjimo iš vidaus, yra buteliuko ar stiklainio užpildymas vandens ir druskos tirpalu, kuris veiks kaip vidinė plokštelė.

Procesas

Buteliuką iš vidaus ir išorės uždenkite aliuminio folijos juostelėmis, jei reikia, pritvirtinkite lipnia juostele, stengdamiesi per daug neviršyti butelio vidurio.

- Atsargiai pradurti dangtelį, kad praeitų varinė viela ar laidas be izoliacinio dangtelio, kad buteliuko vidinė aliuminio folija liestųsi su išorės puse, kur laidžioji sfera turėtų būti dedama tiesiai virš dangtelio.

- Norint surišti išorinę striukę ir pasidaryti savotišką rankeną, naudojama daugiau vielos be izoliacijos. Visas mazgas turėtų atrodyti taip, kaip parodyta 1 ir 4 paveiksluose.

4 pav. Leyden butelis. Šaltinis: F. Zapata.

Eksperimentai

Kai bus pastatytas Leyden butelis, galėsite su juo eksperimentuoti:

1 eksperimentas

Jei turite seną televizorių ar monitorių su katodinių spindulių ekranu, galite jį naudoti buteliui įkrauti. Norėdami tai padaryti, buteliuką viena ranka laikykite už išorinės plokštelės, tuo pačiu užvesdami laidą, jungiantį su vidine dalimi, ir paliesdami ekraną.

Kabelis, surištas iš išorės, turėtų būti arti laido, einančio iš butelio vidaus. Atkreipkite dėmesį, kad atsiranda kibirkštis, rodanti, kad butelis įkrautas elektra.

2 eksperimentas

Jei neturite tinkamo ekrano, „Leyden“ buteliuką galite susikrauti, laikydami jį šalia vilnos audinio, kurį ką tik išėmėte iš drabužių džiovintuvo. Kitas įkrovimo šaltinio pasirinkimas yra paimti plastikinio (PVC) vamzdžio gabalą, kuris anksčiau buvo šlifuotas, kad būtų pašalinti riebalai ir lakas. Vamzdelį sutrinkite popieriniu rankšluosčiu, kol jis pakankamai įkraus.

Nuorodos

1. Leyden butelis. Atkurta iš: es.wikipedia.org
2. Elektriniai prietaisai. Leyden Jar. Atgauta iš: Brittanica.com
3. Endesa lavina. Eksperimentas: Leyden butelis. Atkurta iš: youtube.com.
4. Leyden Jar. Atkurta iš: en.wikipedia.org.
5. Leydeno stiklainio „MacGyver“ fizika. Atkurta iš: wired.com
6. Tippens, P. Fizika: sąvokos ir programos. 516-523.