БУТЫЛКА ЛЕЙДЕНА: ДЕТАЛИ, РАБОТА, ЭКСПЕРИМЕНТЫ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2024

Бутылка Лейден представляет собой тонкую стеклянную бутылку или банку, который содержит плотно пригнанной металлической фольги на внутренней стороне и другой столь же жесткой металлической фольги на внешней стороне.

Это первое в истории электрическое устройство, которое служило для накопления электрических зарядов, просто касаясь его стержнем или внешним листом стержнем, предварительно заряженным трением (трибоэлектрический эффект) или электростатической индукцией. Также можно использовать источник напряжения, такой как элемент или батарея.

Рисунок 1. На рисунке изображена типичная бутылка Лейдена. Внутренний лист является одной из пластин конденсатора, а внешний лист - другой пластиной. Источник: Wikimedia Commons. Филиал

история

Изобретение лейденской бутылки приписывают Питеру ван Мушенбруку, профессору физики в Лейденском университете в 1745 году. Независимо и одновременно немецкий изобретатель Эвальд Георг фон Клейст также сумел накапливать статическое электричество с помощью подобных бутылок, предвосхищая Нидерландский язык.

Мушенбруку помогал юрист по имени Куней, которого он пригласил в свою лабораторию в Лейдене. Этот проницательный персонаж первым заметил, что заряд накапливается, когда он держит флакон рукой, пока стержень или игла заряжаются электростатической машиной.

После того, как профессор Мушенбрук удивил всех своим изобретением, следующее усовершенствование лейденской бутылки, как устройство окончательно окрестили, было сделано в 1747 году благодаря Джону Бевису, врачу, исследователю и, что не менее важно, астроному, открывшему Крабовидная туманность.

Бевис заметил, что если вы накрываете внешнюю поверхность бутылки тонкой тканью, нет необходимости держать ее рукой.

Он также понял, что наполнять ее водой или спиртом не обязательно (оригинальная бутылка Musschenbroek была наполнена жидкостью) и что требовалось только покрыть внутреннюю стенку бутылки металлической фольгой, контактирующей со стержнем, который проходит через пробку.

Более поздние эксперименты показали, что по мере того, как стекло становилось тоньше, а прилегающая металлическая поверхность шире, накапливалось больше заряда.

части

Детали лейденской бутылки показаны на рис. 1. Стекло действует как изолятор или диэлектрик между пластинами, а также служит для их необходимой поддержки. Пластины обычно представляют собой тонкие листы олова, алюминия или меди.

Изолятор также используется для изготовления крышки банки, например, из сухого дерева, пластика или стекла. Крышка протыкается металлическим стержнем, на котором свисает цепь, которая обеспечивает электрический контакт с внутренней пластиной.

Материалы, необходимые для изготовления Лейденской бутылки

- Стеклянная бутылка, максимально тонкая

- Металлическая фольга (алюминий, олово, медь, свинец, серебро, золото) для отдельного покрытия внутренней и внешней части бутылки.

- Просверлена крышка изоляционного материала.

- Металлический стержень, проходящий через перфорированную крышку и имеющий на внутреннем конце цепь или трос, который обеспечивает металлический контакт с внутренним листом бутылки. Другой конец стержня обычно заканчивается сферой, чтобы избежать электрической дуги из-за накопления зарядов на концах.

Рисунок 2. Части лейденской бутылки. Источник: Wikimedia Commons.

Функционирование

Чтобы объяснить накопление электрического заряда, необходимо начать с установления разницы между изоляторами и проводниками.

Металлы являются проводящими, потому что электроны (носители элементарного отрицательного заряда) могут свободно перемещаться внутри них. Это не означает, что металл всегда заряжен, на самом деле он остается нейтральным, когда количество электронов равно количеству протонов.

Напротив, электроны внутри изоляторов не обладают типичной подвижностью металлов. Однако при трении между разными изоляционными материалами электроны с поверхности одного из них могут переходить на поверхность другого.

Возвращаясь к лейденской бутылке, в упрощенном виде это металлическая фольга, отделенная изолятором от другой проводящей фольги. На рисунке 3 показана схема.

Рисунок 3: Упрощенная диаграмма лейденской бутылки и то, как она получает заряд. Источник: Фанни Сапата.

Предположим, что внешняя пластина заземлена либо рукой, либо проводом. При приближении к стержню, который был положительно заряжен за счет трения, стержень, соединяющийся с внутренней пластиной, становится поляризованным. Это приводит к разделению зарядов в узле стержень-внутренняя пластина.

Электроны на внешней пластине притягиваются к положительным зарядам на противоположной пластине, и большее количество электронов достигает внешней пластины от земли.

Когда это соединение разрывается, пластина становится отрицательно заряженной, а когда стержень отделяется, внутренняя пластина становится положительно заряженной.

Конденсаторы или конденсаторы

Лейденская бутылка была первым известным конденсатором. Конденсатор состоит из двух металлических пластин, разделенных изолятором, и они хорошо известны в электричестве и электронике как незаменимые элементы схемы.

Самый простой конденсатор состоит из двух плоских пластин площадью A, разделенных расстоянием d, намного меньшим, чем размер пластин.

Емкость C для хранения заряда в конденсаторе с плоскими пластинами пропорциональна площади A пластин и обратно пропорциональна расстоянию d между пластинами. Константа пропорциональности - это электрическая диэлектрическая проницаемость ε, и они суммируются в следующем выражении:

Конденсатор, образованный лейденской бутылкой, можно аппроксимировать двумя концентрическими цилиндрическими пластинами с внутренним радиусом a и радиусом b для внешней пластины и высотой L. Разница в радиусах - это как раз толщина стекла d, которая представляет собой расстояние между пластинами.

Емкость C цилиндрического пластинчатого конденсатора определяется как:

Как можно вывести из этого выражения, чем больше длина L, тем большую емкость имеет устройство.

Вместимость лейденской бутылки

В случае, если толщина или разделение d намного меньше радиуса, то емкость можно аппроксимировать выражением плоских пластин следующим образом:

В предыдущем выражении p - периметр цилиндрической пластины, а L - высота.

Независимо от формы, максимальный заряд Q, который может накопить конденсатор, пропорционален зарядному напряжению V, а емкость конденсатора C является константой пропорциональности.

Q = C ⋅ V

Бутылка домашнего Лейдена

Обладая легкодоступными домашними материалами и некоторыми ручными навыками, вы можете подражать профессору Мушенбруку и построить лейденскую бутылку. Для этого вам понадобится:

- 1 стеклянная или пластиковая банка, например для майонеза.

- 1 перфорированная пластиковая изолирующая крышка, через которую будет пропущен жесткий провод или кабель.

- Прямоугольные полоски кухонной алюминиевой фольги для покрытия, приклеивания или приклеивания к внутренней и внешней стороне банки. Важно, чтобы алюминиевое покрытие не доходило до края банки, оно может быть чуть выше половины.

- Гибкий кабель без изоляции, прикрепленный к внутренней части стержня так, чтобы он соприкасался с алюминиевой фольгой, покрывающей внутреннюю часть стенки бутылки.

- Металлическая сфера (идет сверху на крышку, чтобы не было шипов).

- Кабель без изоляции, который будет прикреплен к внешнему алюминиевому листу.

- Линейка и ножницы.

- Клейкая лента.

Примечание. Другой вариант, позволяющий избежать укладки алюминиевой фольги внутрь, - заполнить бутылку или банку раствором воды и соли, который будет действовать как внутренняя пластина.

Обработать

Накройте бутылку изнутри и снаружи полосками алюминиевой фольги, при необходимости их закрепите липкой лентой, стараясь не выходить слишком далеко за середину бутылки.

- Осторожно проткните колпачок, чтобы пропустить медный провод или кабель без изолирующей крышки, чтобы внутренняя алюминиевая фольга бутылки соприкоснулась с внешней стороной, где токопроводящая сфера должна быть расположена чуть выше крышки.

- Еще проволока без изоляции используется для перевязки внешней оболочки и изготовления своеобразной ручки. Вся сборка должна выглядеть так, как показано на рисунках 1 и 4.

Рисунок 4. Лейденская бутылка. Источник: Ф. Сапата.

Эксперименты

Когда бутылка Лейдена будет построена, вы можете поэкспериментировать с ней:

Эксперимент 1

Если у вас есть старый телевизор или монитор с электронно-лучевым экраном, вы можете использовать его для зарядки бутылки. Для этого возьмите бутылку одной рукой за внешнюю пластину, при этом поднесите кабель, соединяющийся с внутренней частью, близко и коснитесь экрана.

Кабель, привязанный снаружи, должен быть близко к кабелю, идущему изнутри бутылки. Обратите внимание, что возникает искра, показывая, что бутылка электрически заряжена.

Эксперимент 2

Если у вас нет подходящего экрана, вы можете загрузить лейденскую бутылку, держа ее рядом с шерстяной тканью, которую вы только что достали из сушилки для одежды. Другой вариант источника заряда - взять кусок пластиковой (ПВХ) трубки, предварительно отшлифованной для удаления жира и лака. Протрите трубку бумажным полотенцем, пока она не зарядится.

Ссылки

1. Лейденская бутылка. Получено с: es.wikipedia.org
2. Электрические инструменты. Лейденская банка. Получено с: Brittanica.com
3. Endesa обучает. Эксперимент: лейденская бутылка. Получено с: youtube.com.
4. Лейденская банка. Получено с: en.wikipedia.org.
5. Физика лейденской банки в «МакГайвере». Получено с: wired.com
6. Типпенс, П. Физика: концепции и приложения. 516-523.