- Történelem
- Alkatrészek
- A Leyden üveg készítéséhez szükséges anyagok
- Működés
- Kondenzátorok vagy kondenzátorok
- Leyden üveg kapacitása
- Üveg házi készítésű Leyden
- Folyamat
- kísérletek
- 1. kísérlet
- 2. kísérlet
- Irodalom
A Leyden üveg egy vékony üveg vagy üvegedény, amelynek belső részén szorosan illeszkedő fém fólia, kívül pedig egy másik szorosan illeszkedő fém fólia található.
Ez a történelem első olyan elektromos berendezése, amely az elektromos töltések tárolására szolgált, egyszerűen azzal, hogy megérinti azt, akár a rúd, akár a külső lap, egy rúddal, amelyet korábban súrlódás (triboelektromos hatás) vagy elektrosztatikus indukció töltött fel. Feszültségforrás, például cella vagy akkumulátor is használható.
1. ábra. Az ábra egy tipikus Leyden-palackot ábrázol. A belső lap az egyik a kondenzátorlemez, a külső lap a másik. Forrás: Wikimedia Commons. Ág
Történelem
A Leyden-palack feltalálását Pieter van Musschenbroeknek, a Leydenini Egyetem fizikaprofesszorának, 1745-ben kapják. Függetlenül és egyidejűleg, a német feltalálónak, Ewald Georg von Kleist-nek szintén sikerült statikus elektromosságot tárolni hasonló palackokkal, előre jelezve a Holland.
Musschenbroeknek Cunaeus nevű ügyvéd segítsége volt, akit meghívott a leydeni laboratóriumába. Ez a szánalmas karakter volt az első, aki észrevette, hogy az ampulla a kezével tartva felhalmozódott töltés, míg a rudat vagy a tűt az elektrosztatikus gépen töltik.
Miután Musschenbroek professzor mindenkit meglepte a találmányával, a Leyden-palack következő javítása, mivel az eszköz végül megkeresztelkedett, 1747-ben John Bevis orvosnak, kutatónak, és utoljára, de nem utolsósorban a csillagásznak köszönhetően történt, aki felfedezte a Rák-köd.
Bevis megjegyezte, hogy ha egy palack külsejét vékony lemezzel fedte le, akkor nem kell azt a kezével megtartania.
Azt is felismerte, hogy nem szükséges vízzel vagy alkohollal megtölteni (az eredeti Musschenbroek palackot folyadékkal töltötték meg), és csak a palack belső falát fémfóliával kellett lefednie a parafa áthaladó rúddal érintkezve.
A későbbi kísérletek azt mutatták, hogy az üveg vékonyabbá válásával és a szomszédos fémfelület szélesebb felhalmozódásával több töltés halmozódik fel.
Alkatrészek
A Leyden-palack részeit az 1. ábra szemlélteti. Az üveg szigetelőként vagy dielektrikumként működik a lemezek között, amellett, hogy szolgálja a szükséges támaszt. A lemezek általában vékony ón-, alumínium- vagy rézlemezek.
Szigetelőt is használnak az üvegek fedelének készítéséhez, például száraz fa, műanyag vagy üveg. A fedelet egy fém rúd átszúrja, ahonnan egy lánc lóg, amely elektromos érintkezést hoz létre a belső lemezzel.
A Leyden üveg készítéséhez szükséges anyagok
- Üveg, a lehető legvékonyabb
- Fémfólia (alumínium, ón, réz, ólom, ezüst, arany) a palack belső és külső részének külön-külön történő lefedésére.
- Fúrt szigetelőanyag burkolat.
- Fémrúd, hogy áthaladjon a perforált fedélen, és amelynek belső végén lánc vagy kábel található, amely fémes érintkezést biztosít a palack belső lapjával. A rúd másik vége általában egy gömbön végződik, hogy elkerüljék az elektromos íveket, mivel a végeken felhalmozódó töltések merülhetnek fel.
2. ábra. A Leyden-palack alkatrészei. Forrás: Wikimedia Commons.
Működés
Az elektromos töltés felhalmozódásának magyarázata érdekében el kell kezdeni a szigetelők és a vezetők közötti különbség megállapításával.
A fémek vezetőképesek, mivel az elektronok (az elemek negatív töltésének hordozói) szabadon mozoghatnak bennük. Ami nem azt jelenti, hogy a fém mindig töltött, valójában semleges marad, amikor az elektronok száma megegyezik a protonok számával.
Ezzel szemben a szigetelőkben lévő elektronok hiányzik a fémek jellemző mobilitásáról. A különféle szigetelőanyagok közötti dörzsöléssel azonban előfordulhat, hogy egyikük felületéből az elektronok átjutnak a másik felületére.
Visszatérve a Leyden-palackhoz, egyszerűsített formában egy fémfólia, amelyet egy szigetelő leválaszt egy másik vezető fóliatól. A 3. ábra vázlatos ábrát mutat.
3. ábra: A Leyden-palack egyszerűsített rajza és annak töltési módja. Forrás: Fanny Zapata.
Tegyük fel, hogy a külső lemezt kézzel, vagy huzallal földeljük. Ha egy olyan rúddal közelítik meg, amelyet a dörzsölés pozitívan töltött, a belső lemezhez csatlakozó rúd polarizálódik. Ez a töltések elválasztásához vezet a rúd-belső lemez szerelvényben.
A külső lemezen lévő elektronok vonzódnak a szemben lévő lemezen lévő pozitív töltésekhez, és több elektron érkezik a külső lemeztől a földtől.
Ha ez a kapcsolat megszakad, a lemez negatív töltésű lesz, és amikor a rúd elválasztódik, a belső lemez pozitív töltésű lesz.
Kondenzátorok vagy kondenzátorok
A Leyden üveg volt az első ismert kondenzátor. A kondenzátor két fémlemezből áll, amelyeket elválasztanak egymástól, és ezek jól ismertek az elektromos áramban és az elektronikában, mint nélkülözhetetlen áramköri elemek.
A legegyszerűbb kondenzátor két, az A területű lapos lemezből áll, amelyeket a lemezek méretétől jóval kisebb d távolság választ el egymástól.
A töltés tárolására szolgáló C kapacitás lapos lemezkondenzátorban arányos a lemezek A területével és fordítva arányos a lemezek közötti d távolsággal. Az arányosság állandója az ε elektromos engedélyképesség, és ezeket a következő kifejezésben foglaljuk össze:
A Leyden-palack által alkotott kondenzátort két koncentrikus hengeres lemez segítségével közelíthetjük meg, amelyek belső sugara és b sugara a külső lemez és az L magasság között van. A sugarak közötti különbség pontosan az üveg vastagsága, d, amely a lemezek közötti távolság.
A hengeres lemezkondenzátor C kapacitását a következőképpen adjuk meg:
Amint ebből a kifejezésből levezethető, minél hosszabb az L hosszúság, annál nagyobb a kapacitása az eszköznek.
Leyden üveg kapacitása
Abban az esetben, ha a vastagság vagy az elválasztás d jóval kisebb, mint a sugár, akkor a kapacitást a sík lemezek kifejezésével a következőképpen lehet becsülni:
Az előző kifejezésben p a hengeres lemez kerülete, L pedig a magassága.
A formától függetlenül a maximális Q töltés, amelyet a kondenzátor felhalmozódhat, arányos a V töltési feszültséggel, a kondenzátor C kapacitása az arányosság állandója.
Q = C ⋅ V
Üveg házi készítésű Leyden
Ha otthon könnyen elérhető anyagokat és némi kézi készséget használ, emulálhatja Musschenbroek professzort és készíthet egy Leyden-palackot. Ehhez szüksége van:
- 1 üveg vagy műanyag edény, például majonéz.
- 1 perforált műanyag szigetelőfedél, amelyen keresztül egy merev huzal vagy kábel vezethető át.
- Téglalap alakú konyhai alumínium fóliák, hogy lefedjék, beragaszthassák vagy be tudják ragasztani az üveget belül és kívül. Fontos, hogy az alumínium bevonat ne érje az edény szélét, kissé magasabb lehet, mint fele.
- Rugalmas, szigetelés nélküli kábel, amely a rúd belsejébe illeszkedik, úgy, hogy érintkezésbe kerüljön az alumíniumfóliával, amely a palack falának belső részét takarja.
- Fémgömb (a fedél tetejére megy, hogy elkerülje a tüskék hatását).
- Szigetelés nélküli kábel, amelyet a külső alumínium lemezhez kell rögzíteni.
- Vonalzó és olló.
- Scotch tape.
Megjegyzés: Egy másik változat, amely elkerüli az alumínium fólia belső felhelyezését, az, hogy a palackot vagy az üveget víz és só oldattal töltse fel, amely belső lemezként fog szolgálni.
Folyamat
Fedje le a palackot belülről és kívül az alumínium fóliacsíkokkal, ha szükséges, ragasztószalaggal rögzítik, ügyelve arra, hogy ne lépje túl a palack közepét.
- Óvatosan szúrja át a kupakot, hogy áthaladjon a rézhuzalon vagy kábelen szigetelő fedél nélkül, hogy a palack belső alumíniumfóliája érintkezésbe kerüljön a külső felülettel, ahol a vezető gömböt közvetlenül a kupak fölé kell helyezni.
- Több huzal szigetelés nélkül kerül felhasználásra a külső burkolat megkötéséhez és egyfajta fogantyú készítéséhez. Az egész szerelvénynek úgy kell kinéznie, mint az 1. és 4. ábra.
4. ábra. Leyden üveg. Forrás: F. Zapata.
kísérletek
Miután a Leyden üveget felépítették, kísérletezhetsz vele:
1. kísérlet
Ha van régi tévékészüléke vagy katódsugár-képernyővel ellátott monitorja, akkor felhasználhatja azt az üveg feltöltésére. Ehhez az egyik kezével tartsa a palackot a külső lemez mellett, miközben zárja be a belső részhez csatlakozó kábelt, és megérinti a képernyőt.
A külsõ kábelnek közel kell lennie a palack belsejébõl származó kábelhez. Vegye figyelembe, hogy szikra keletkezik, amely azt mutatja, hogy az üveg elektromosan feltöltődött.
2. kísérlet
Ha nincs megfelelő képernyő, akkor a Leyden-üveget úgy töltheti be, hogy közel tartja egy gyapjúszövethez, amelyet éppen a ruhaszárítóból vett. A töltőforrás másik lehetősége, hogy vegyen egy darab műanyag (PVC) csövet, amelyet korábban csiszoltak, hogy eltávolítsák a zsírt és a lakot. Dörzsölje le a csövet papír törülközővel, amíg eléggé meg nem töltötte.
Irodalom
- Leyden üveg. Helyreállítva: es.wikipedia.org
- Elektromos műszerek. Leydeni palack. Helyreállítva: Brittanica.com
- Endesa oktat. Kísérlet: Leyden üveg. Helyreállítva: youtube.com.
- Leydeni palack. Helyreállítva: en.wikipedia.org.
- A Leyden jar fizikája a "MacGyverben". Helyreállítva: wired.com
- Tippens, P. Fizika: Fogalmak és alkalmazások. 516-523.