ПЛЯШКА ЛЕЙДЕНА: ДЕТАЛІ, ОПЕРАЦІЯ, ЕКСПЕРИМЕНТИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Пляшка Лейден є тонкою скляну пляшку або банку, який містить щільно приганяє металевої фольги на внутрішній стороні, а інший щільно закривається металевої плівки на зовнішній стороні.

Це перший в історії електричний прилад, який слугував для зберігання електричних зарядів, просто торкаючись його або стрижнем, або зовнішнім листом, бруском, раніше зарядженим тертям (трибоелектричним ефектом) або електростатичною індукцією. Також можна використовувати джерело напруги, такий як комірка або акумулятор.

Малюнок 1. На малюнку зображена типова пляшка Лейдена. Внутрішній лист - одна з пластин конденсатора, а зовнішній - інша. Джерело: Wikimedia Commons. Відділення

Історія

Винахід пляшки Лейдена зараховано до професора фізики Лейденського університету в 1745 р. Пітера ван Мушенброека. Незалежно і одночасно німецькому винахіднику Евальду Георгу фон Клейсту вдалося зберегти статичну електрику з подібними пляшками. Голландська.

Мушенброк мав допомогу адвоката на ім’я Куней, якого він запросив до своєї лабораторії в Лейдені. Цей вразливий персонаж першим помітив, що заряд накопичувався, тримаючи флакон рукою, поки штанга або голка заряджалася електростатичною машиною.

Після того, як професор Мушенброк здивував усіх своїм винаходом, наступне вдосконалення на пляшці Лейдена, оскільки пристрій остаточно охрестили, було здійснено в 1747 році завдяки Джону Бевісу, медику, досліднику та не в останню чергу астроному, який відкрив туманність Краба

Бевіс зауважила, що якщо ви накрили зовнішню частину пляшки тонким простирадлом, не потрібно було тримати її рукою.

Він також зрозумів, що наповнювати його водою чи спиртом не потрібно (оригінальну пляшку Musschenbroek заповнювали рідиною) і потрібно лише накрити внутрішню стінку пляшки металевою фольгою при контакті зі стрижнем, який проходить через пробку.

Пізніші експерименти показали, що більше заряду накопичувалося, коли скло стає тоншим, а сусідня металева поверхня - більш великою.

Частини

Частини пляшки Лейдена показані на малюнку 1. Скло виступає в якості ізолятора або діелектрика між пластинами, крім того, що служить для надання їм необхідної опори. Пластини - це зазвичай тонкі листи з жерсті, алюмінію або міді.

Для виготовлення кришки банки також використовується ізолятор, наприклад, суха деревина, пластик або скло. Кришка пронизана металевим стрижнем, з якого висить ланцюг, який служить для електричного контакту з внутрішньою пластиною.

Матеріали, необхідні для виготовлення пляшки Лейдена

- Скляна пляшка, будучи максимально тонкою

- Металева фольга (алюміній, олово, мідь, свинець, срібло, золото) для покриття окремо, внутрішньої та зовнішньої частини пляшки.

- просвердлений ізоляційний матеріал.

- металевий стрижень, який повинен пройти через перфоровану кришку, і щоб на внутрішньому кінці був ланцюг або трос, який здійснює металевий контакт з внутрішнім листом пляшки. Інший кінець стрижня, як правило, закінчується сферою, щоб уникнути електричних дуг через накопичених на кінцях зарядів.

Малюнок 2. Частини пляшки Лейдена. Джерело: Wikimedia Commons.

Функціонування

Для пояснення накопичення електричного заряду необхідно для початку встановити різницю між ізоляторами і провідниками.

Метали є електропровідними, оскільки електрони (носії елементарного негативного заряду) можуть вільно переміщатися всередині них. Що не означає, що метал завжди заряджений, насправді він залишається нейтральним, коли кількість електронів дорівнює кількості протонів.

Навпаки, електронам всередині ізоляторів не вистачає типової рухливості металів. Однак, втираючи між різними ізоляційними матеріалами, може статися, що електрони з поверхні одного з них переходять на поверхню іншого.

Повертаючись до пляшки Лейдена, у спрощеному вигляді це металева фольга, відокремлена ізолятором від іншої струмопровідної фольги. На малюнку 3 показано схематично.

Малюнок 3: Спрощена схема пляшки Лейдена та спосіб придбання заряду. Джерело: Фанні Сапата.

Припустимо, зовнішня плита заземлена або рукою, або дротом. При наближенні до стержня, який позитивно заряджався затиранням, стрижень, що з'єднується з внутрішньою пластиною, стає поляризованим. Це призводить до поділу зарядів у стержневій внутрішній установці пластини.

Електрони на зовнішній пластині притягуються до позитивних зарядів на протилежній пластині, і більше електронів досягає зовнішньої пластини від землі.

При розриві цього з'єднання плита стає зарядженою негативно, а коли стрижень відокремлюється, внутрішня пластина стає позитивно зарядженою.

Конденсатори або конденсатори

Пляшка Лейдена була першим відомим конденсатором. Конденсатор складається з двох металевих пластин, розділених ізолятором, і вони добре відомі в електриці та електроніці як незамінні елементи схеми.

Найпростіший конденсатор складається з двох плоских пластин площею A, розділених на відстань d, значно менших за розмір пластин.

Ємність C для зберігання заряду в плоскому конденсаторі пластини пропорційна площі A пластин і обернено пропорційна відстані d між пластинами. Константа пропорційності - електрична проникність ε, і вони узагальнені у наступному виразі:

Конденсатор, утворений пляшкою Лейдена, може бути апроксимований двома концентричними циліндричними пластинами з радіусами внутрішнього та радіусом b для зовнішньої пластини та висотою L. Різниця в радіусах полягає саме в товщині скла d, що є поділом між пластинами.

Ємність C конденсатора циліндричної пластини задається:

Як можна зробити з цього виразу, чим більше довжина L, тим більше ємність пристрою.

Ємність пляшки Лейдена

У випадку, якщо товщина або поділ d набагато менша за радіус, то ємність можна наблизити виразом плоских плит таким чином:

У попередньому виразі р - периметр циліндричної пластини, а L - висота.

Незалежно від форми, максимальний заряд Q, який може накопичувати конденсатор, пропорційний напрузі заряду V, ємність конденсатора C - константа пропорційності.

Q = C ⋅ V

Пляшка домашнього Лейдена

Маючи вдома доступні матеріали та певну ручну майстерність, ви можете наслідувати професору Мушенброк та створити пляшку Лейдена. Для цього вам потрібно:

- 1 скляна або пластикова банка, наприклад майонез.

- 1 перфорована пластикова ізоляційна кришка, через яку буде проходити жорсткий дріт або кабель.

- Прямокутні смужки кухонної алюмінієвої фольги для покриття, приклеювання або прилягання до внутрішньої та зовнішньої сторони банки. Важливо, щоб алюмінієве покриття не доходило до краю банки, воно може бути трохи вище половини.

- гнучкий кабель без ізоляції, який зрощений з внутрішньої сторони стрижня, щоб він контактував з алюмінієвою фольгою, яка покриває внутрішню частину стінки пляшки.

- металева сфера (йде зверху кришки, щоб уникнути ефекту шипів).

- Кабель без ізоляції, який буде кріпитися до зовнішнього алюмінієвого листа.

- Лінійка та ножиці.

- Скотч.

Примітка: Ще одна версія, яка дозволяє уникнути роботи над розміщенням алюмінієвої фольги на внутрішній стороні, - це наповнити пляшку або банку розчином води та солі, яка буде виконувати роль внутрішньої пластини.

Процес

Накрийте пляшку зсередини та ззовні смужками алюмінієвої фольги, при необхідності їх закріпіть скотчем, обережно, щоб занадто сильно не перевищити середину пляшки.

- обережно пробийте ковпачок, щоб пропустити мідний дріт або кабель без ізоляційної кришки, щоб внутрішня алюмінієва фольга пляшки контактувала з зовнішньою, де провідна сфера повинна бути розміщена трохи вище ковпачка.

- Більше дроту без ізоляції використовується для прив’язки зовнішньої куртки та виготовлення свого роду ручки. Вся збірка повинна виглядати так, як показано на малюнках 1 і 4.

Малюнок 4. Пляшка Лейдена. Джерело: Ф. Сапата.

Досліди

Після того як пляшка Лейдена побудована, ви зможете експериментувати з нею:

Експеримент 1

Якщо у вас старий телевізор або монітор з катодним екраном, ви можете використовувати його для заряджання пляшки. Для цього тримайте пляшку однією рукою за зовнішню тарілку, одночасно підводячи кабель, який з'єднується з внутрішньою частиною, закрити та торкаючись екрана.

Кабель, прив’язаний до зовнішньої сторони, повинен бути близьким до кабелю, що надходить зсередини пляшки. Зауважте, що виникає іскра, що показує, що пляшка стала електрично заряджена.

Експеримент 2

Якщо у вас немає відповідного екрана, ви можете завантажити пляшку Лейдена, тримаючи її близько до вовняної тканини, яку ви тільки що взяли з сушарки для одягу. Інший варіант джерела зарядки - взяти шматок пластикової (ПВХ) трубки, попередньо відшліфовану для видалення жиру та лаку. Потріть трубочку паперовим рушником, поки вона не буде достатньо заряджена.

Список літератури

1. Пляшка Лейдена. Відновлено з: es.wikipedia.org
2. Електричні інструменти. Лейден Джар. Відновлено з: Brittanica.com
3. Ендеса виховує. Експеримент: пляшка Лейдена Відновлено з: youtube.com.
4. Лейден Джар. Відновлено з: en.wikipedia.org.
5. Фізика банку Лейдена в "Мак-гейвері". Відновлено з: wired.com
6. Тіппенс, П. Фізика: поняття та додатки. 516-523.