LEYDENSKA BOCA: DIJELOVI, OPERACIJA, EKSPERIMENTI - FIZIČKA - 2024

Leyden boca je tanka staklena boca ili posuda, koja sadrži čvrsto metalne folije na unutarnjoj i drugih usko-metalne prevlake na vanjskoj strani.

Prvi je električni uređaj u povijesti koji je služio za spremanje električnih naboja jednostavnim dodirom, bilo šipkom ili vanjskim plahtama, šipkom prethodno nabijenom trenjem (triboelektričnim učinkom) ili elektrostatskom indukcijom. Također se može koristiti i izvor napona poput ćelije ili baterije.

Slika 1. Na slici je prikazana tipična Leyden-ova boca. Unutarnji list je jedna od ploča kondenzatora, a vanjski je druga ploča. Izvor: Wikimedia Commons. Podružnica

Povijest

Izum boce Leyden zaslužan je Pieter van Musschenbroek, profesor fizike na Sveučilištu u Leydenu 1745. godine. Neovisno i istovremeno, njemački izumitelj Ewald Georg von Kleist također je uspio pohraniti statički elektricitet s sličnim bocama, predviđajući nizozemski.

Musschenbroek je imao pomoć odvjetnika po imenu Cunaeus, kojeg je pozvao u svoju laboratoriju u Leydenu. Ovaj drhtav lik prvi je primijetio da se naboj nakupljao držeći bocu rukom dok je šipka ili igla bila opterećena elektrostatičkim strojem.

Nakon što je profesor Musschenbroek iznenadio sve svojim izumom, sljedeće poboljšanje na Leydenovoj boci, nakon što je uređaj konačno kršten, napravljeno je 1747. godine zahvaljujući Johnu Bevisu, liječniku, istraživaču i posljednjem, ali ne najmanje bitnom astronomu koji je otkrio rakova maglina

Bevis je primijetio da ako pokrivate vanjsku stranu boce tankim plahtom, nema potrebe da je držite rukom.

Također je shvatio da ga punjenje vodom ili alkoholom nije potrebno (izvorna Musschenbroekova boca bila je napunjena tekućinom) i da je potrebno samo pokriti unutarnju stijenku boce metalnom folijom u kontaktu sa šipkom koja prolazi kroz plutu.

Kasniji eksperimenti otkrili su kako se više naboja nakupljalo kako je staklo postajalo tanje, a susjedna metalna površina opsežnija.

dijelovi

Dijelovi Leyden-ove boce prikazani su na slici 1. Staklo djeluje kao izolator ili dielektrik između ploča i služi tako da im pruži potrebnu potporu. Ploče su obično tanki listovi od kositra, aluminija ili bakra.

Za izradu poklopca staklenke koristi se i izolator, na primjer suho drvo, plastika ili staklo. Poklopac je probijen metalnom šipkom s koje visi lanac koji služi za električni kontakt s unutarnjom pločom.

Materijali potrebni za izradu Leydenske boce

- Staklena boca, što je moguće tanja

- Metalna folija (aluminij, kositar, bakar, olovo, srebro, zlato) koja pokriva zasebno, unutarnji i vanjski dio boce.

- Izbušeni pokrov izolacijskog materijala.

- Metalna šipka koja ide kroz perforirani poklopac i na unutarnjem kraju ima lanac ili kabel koji uspostavlja metalni kontakt s unutarnjim listom boce. Drugi kraj šipke obično završava u sferi, kako bi se izbjegli električni lukovi zbog nakupljenih naboja na krajevima.

Slika 2. Dijelovi Leyden-ove boce. Izvor: Wikimedia Commons.

Funkcioniranje

Da bismo objasnili akumulaciju električnog naboja, potrebno je započeti utvrđivanjem razlike između izolatora i vodiča.

Metali su provodljivi, jer se elektroni (nosioci elementarnog negativnog naboja) mogu slobodno kretati unutar njih. Što ne znači da je metal uvijek nabijen, u stvari ostaje neutralan kada je broj elektrona jednak broju protona.

Suprotno tome, elektronima u izolatorima nedostaje tipična pokretljivost metala. Trljanjem između različitih izolacijskih materijala može se dogoditi da elektroni s površine jednog od njih pređu na površinu drugog.

Vraćajući se u Leyden-ovu bocu, u pojednostavljenom je obliku metalna folija odvojena izolatorom od druge vodljive folije. Na slici 3 prikazana je shema.

Slika 3: Pojednostavljeni dijagram Leyden-ove boce i kako ona puni naboj. Izvor: Fanny Zapata.

Pretpostavimo da je vanjska ploča uzemljena, bilo rukom ili žicom. Kada mu se priđe štap koji se trljanjem pozitivno nabije, štap koji se spaja na unutarnju ploču postaje polariziran. To dovodi do odvajanja naboja u sklopu ploče unutarnje šipke.

Elektroni na vanjskoj ploči privlače pozitivna naboja na suprotnoj ploči i više elektrona dopire do vanjske ploče od tla.

Kad se ta veza prekine, ploča postaje negativno nabijena, a kada se štap odvoji, unutarnja ploča postaje pozitivno nabijena.

Kondenzatori ili kondenzatori

Boca Leyden bila je prvi poznati kondenzator. Kondenzator se sastoji od dvije metalne ploče odvojene izolatorom i one su dobro poznate u struji i elektronici kao nezamjenjivi elementi kruga.

Najjednostavniji kondenzator sastoji se od dvije ravne ploče površine A odvojene udaljenošću d mnogo manjom od veličine ploča.

Kapacitet C za spremanje naboja u ravni kondenzator ploče proporcionalan je površini A ploča i obrnuto proporcionalan razmaku d između ploča. Konstanta proporcionalnosti je električna propusnost ε i ona se rezimira u sljedećem izrazu:

Kondenzator formiran u Leydenovoj boci može se aproksimirati s dvije koncentrične cilindrične ploče s radijusima unutarnjeg i polumjerom b za vanjsku ploču i visinu L. Razlika u polumjerima je upravo u debljini stakla d što je razdvajanje ploča.

Kapacitet C cilindričnog kondenzatora na ploči dan je s:

Kao što se iz ovog izraza može razlučiti, što je duljina L dalja, uređaj ima veći kapacitet.

Kapacitet boce Leyden

U slučaju da je debljina ili odvojenost d mnogo manja od polumjera, tada se kapacitet može aproksimirati izrazom ravnih ploča na sljedeći način:

U prethodnom izrazu p je perimetar cilindrične ploče, a L visina.

Bez obzira na oblik, maksimalno naelektrisanje Q koje kondenzator može akumulirati proporcionalno je naponu naboja V, s tim da je kapacitet kondenzatora C konstanta proporcionalnosti.

Q = C ⋅ V

Boca domaćeg Leydena

Sa lako dostupnim materijalima kod kuće i ručnom vještinom možete oponašati profesora Musschenbroeka i izgraditi Leyden-ovu bocu. Za to vam je potrebno:

- 1 staklena ili plastična staklenka, poput majoneze.

- 1 perforirani plastični izolacijski pokrov kroz koji će proći kruta žica ili kabel.

- Pravokutne trake kuhinjske aluminijske folije za prekrivanje, lijepljenje ili lijepljenje na unutrašnju i vanjsku stranu staklenke. Važno je da aluminijski premaz ne dospije do ruba staklenke, može biti malo veći od polovice.

- Fleksibilan kabel bez izolacije koji je spojen s unutrašnjosti šipke, tako da stvara kontakt s aluminijskom folijom koja prekriva unutrašnjost stijenke boce.

- Metalna sfera (ide na vrh poklopca kako bi se izbjegao učinak bodova).

- Kabel bez izolacije koji će biti pričvršćen na vanjski aluminijski lim.

- Vladar i škare.

- Samoljepljiva vrpca.

Napomena: Druga inačica koja izbjegava postavljanje aluminijske folije na unutarnju stranu je napuniti bocu ili staklenku otopinom vode i soli, koja će djelovati kao unutarnja ploča.

Postupak

Bocu prekrijte iznutra i izvana trakama od aluminijske folije, ako je potrebno pričvrstite ih ljepljivom trakom, vodeći računa da previše ne pređe sredinu boce.

- Pažljivo probušite poklopac da prođe bakrena žica ili kabel bez izolacijskog poklopca, da unutarnju aluminijsku foliju boce dotaknete u dodir s vanjskom, gdje vodljivu sferu treba postaviti neposredno iznad kapice.

- Više žica bez izolacije koristi se za vezanje vanjske jakne i izradu vrsta ručke. Čitav sklop treba izgledati kao što je prikazano na slikama 1 i 4.

Slika 4. Leydenska boca. Izvor: F. Zapata.

eksperimenti

Nakon što je izgrađena boca Leyden, možete eksperimentirati s njom:

Pokus 1

Ako imate stari televizor ili monitor s katodnim zaslonom, možete ga koristiti za punjenje boce. Da biste to učinili, bocu jednom rukom držite za vanjsku ploču, a kabel koji se spaja na unutarnji dio približite i dodiruje zaslon.

Kabel spojen s vanjske strane trebao bi biti blizu kabela koji dolazi iz unutrašnjosti boce. Imajte na umu da se događa iskra koja pokazuje da je boca postala električno napunjena.

Eksperiment 2

Ako nemate odgovarajući zaslon, možete puniti Leyden-ovu bocu tako da je držite na vunenoj krpi koju ste upravo uzeli iz sušilice za odjeću. Druga mogućnost za izvor punjenja je uzeti komad plastične (PVC) cijevi koja je prethodno brušena kako bi se uklonili masti i lakovi. Trljajte cijev papirnatim ručnikom dok se dovoljno ne napuni.

Reference

1. Leydenska boca. Oporavilo sa: es.wikipedia.org
2. Električni instrumenti. Lajdenska boca. Oporavilo od: Brittanica.com
3. Endesa obrazuje. Eksperiment: boca Leyden Oporavilo od: youtube.com.
4. Lajdenska boca. Oporavilo sa: en.wikipedia.org.
5. Fizika staklenke Leyden u "MacGyveru". Oporavak od: wired.com
6. Tippens, P. Fizika: pojmovi i primjene. 516-523.