LEYDEN FLASKA: DELAR, DRIFT, EXPERIMENT - FYSISK - 2025

Den Leyden flaskan är en tunn glasflaska eller burk, som innehåller en tätt passande metallfolie på insidan och en annan åtsittande metallfilm på utsidan.

Det är den första elektriska anordningen i historien som användes för att lagra elektriska laddningar helt enkelt genom att beröra den, antingen med stången eller med det yttre arket, med en stång som tidigare laddats genom friktion (triboelektrisk effekt) eller genom elektrostatisk induktion. En spänningskälla som en cell eller ett batteri kan också användas.

Figur 1. Figuren visar en typisk Leyden-flaska. Det inre arket är en av kondensatorplattorna och det yttre arket är den andra plattan. Källa: Wikimedia Commons. Gren

Historia

Uppfinningen av Leyden-flaskan krediteras Pieter van Musschenbroek, professor i fysik vid universitetet i Leyden 1745. Oberoende och samtidigt lyckades den tyska uppfinnaren Ewald Georg von Kleist också lagra statisk elektricitet med liknande flaskor, i väntan på nederländska.

Musschenbroek fick hjälp av en advokat vid namn Cunaeus, som han hade bjudit in till sitt laboratorium i Leyden. Denna sagakious karaktär var den första som märkte att laddningen samlades genom att hålla in flaskan med handen medan stången eller nålen laddades med den elektrostatiska maskinen.

Efter att professor Musschenbroek överraskade alla med sin uppfinning, gjordes nästa förbättring på Leyden-flaskan, när enheten slutligen döptes, 1747 tack vare John Bevis, en läkare, forskare och sist men inte minst astronomen som upptäckte krabbnebulan.

Bevis konstaterade att om du täckte utsidan av flaskan med ett tunt ark, var det inte nödvändigt att hålla den med handen.

Han insåg också att det inte var nödvändigt att fylla den med vatten eller alkohol (den ursprungliga Musschenbroek-flaskan fylldes med vätska) och att det bara var nödvändigt att täcka flaskans innervägg med metallfolie i kontakt med stången som passerar genom korken.

Senare experiment avslöjade att mer laddning samlades när glaset blev tunnare och den intilliggande metallytan mer omfattande.

Delar

Delarna av en Leyden-flaska visas i figur 1. Glaset fungerar som en isolator eller dielektrikum mellan plattorna, förutom att de tjänar för att ge dem det nödvändiga stödet. Plattorna är vanligtvis tunna ark av tenn, aluminium eller koppar.

En isolator används också för att göra locket på burken, till exempel torrt trä, plast eller glas. Locket är genomborrad av en metallstång från vilken en kedja hänger som tjänar till att skapa elektrisk kontakt med den inre plattan.

Material som behövs för att tillverka Leyden Bottle

- Glasflaska, så tunn som möjligt

- Metallfolie (aluminium, tenn, koppar, bly, silver, guld) för att täcka separat, den inre och yttre delen av flaskan.

- Borrat isoleringsmaterialskydd.

- Metallstång för att gå igenom det perforerade locket och att den inre änden har en kedja eller kabel som ger metallisk kontakt med flaskans innerark. Den andra änden av stången slutar vanligtvis i en sfär för att undvika elektriska bågar på grund av ackumulerade laddningar på ändarna.

Bild 2. Delar av en Leyden-flaska. Källa: Wikimedia Commons.

fungerande

För att förklara ackumuleringen av elektrisk laddning är det nödvändigt att börja med att fastställa skillnaden mellan isolatorer och ledare.

Metaller är ledande eftersom elektroner (bärare med elementär negativ laddning) kan röra sig fritt inom dem. Vilket inte betyder att metallen alltid laddas, den är faktiskt neutral när antalet elektroner är lika med antalet protoner.

Däremot saknar elektroner inuti isolatorer den typiska rörligheten för metaller. Genom att gnida mellan olika isolerande material kan det dock hända att elektroner från ytan på en av dem passerar till ytan på den andra.

Återvända till Leyden-flaskan, i förenklad form, är det en metallfolie separerad av en isolator från en annan ledande folie. Figur 3 visar ett schema.

Bild 3: Förenklat diagram över Leyden-flaskan och hur den erhåller laddningen. Källa: Fanny Zapata.

Anta att den yttre plattan är jordad, antingen med handhållning eller med en tråd. När man närmar sig en stång som laddades positivt genom gnidning blir stången som ansluter till innerplattan polariserad. Detta leder till en separering av laddningarna i stav-inre plattanheten.

Elektronerna på den yttre plattan lockas till de positiva laddningarna på den motsatta plattan och fler elektroner når den yttre plattan från marken.

När denna anslutning bryts blir plattan negativt laddad och när stången separeras blir innerplattan positivt laddad.

Kondensatorer eller kondensatorer

Leyden-flaskan var den första kända kondensatorn. En kondensator består av två metallplattor separerade av en isolator och de är välkända inom el och elektronik som oumbärliga kretselement.

Den enklaste kondensatorn består av två plana plattor med area A som är separerade med ett avstånd d som är mycket mindre än storleken på plattorna.

Kapaciteten C för att lagra laddning i en platt plattskondensator är proportionell mot plattorna A och är omvänt proportionell mot avståndet d mellan plattorna. Proportionalitetskonstanten är den elektriska permittiviteten ε och de sammanfattas i följande uttryck:

Kondensatorn bildad av Leyden-flaskan kan approximeras med två koncentriska cylindriska plattor med radier en inre och radie b för den yttre plattan och höjden L. Skillnaden i radierna är just tjockleken på glaset d som är separationen mellan plattorna.

Kapaciteten C hos en cylindrisk plattkondensator ges av:

Såsom kan härledas från detta uttryck, desto längre L, desto mer kapacitet har enheten.

Leyden flaskans kapacitet

I det fall att tjockleken eller separationen d är mycket mindre än radien, kan kapaciteten approximeras av uttrycket av de platta plattorna enligt följande:

I det föregående uttrycket p är den cylindriska plattans omkrets och L är höjden.

Oavsett form är den maximala laddningen Q som en kondensator kan ackumulera proportionell mot laddningsspänningen V, varvid kondensatorns kapacitet C är proportionalitetskonstanten.

Q = C ⋅ V

Flaska hemlagad Leyden

Med lätt tillgängliga material hemma och lite manuell skicklighet kan du emulera professor Musschenbroek och bygga en Leyden-flaska. För detta behöver du:

- 1 glas- eller plastburk, som majonnäs.

- 1 perforerat isoleringsskydd av plast genom vilket en styv tråd eller kabel kommer att passera.

- Rektangulära remsor av kökaluminiumsfolie för att täcka, fästa eller fästa på insidan och utsidan av burken. Det är viktigt att aluminiumbeläggningen inte når kanten av burken, den kan vara lite högre än hälften.

- En flexibel kabel utan isolering som är skarvad på insidan av stången så att den kommer i kontakt med aluminiumfolien som täcker insidan av flaskans vägg.

- Metallisk sfär (går ovanpå locket för att undvika effekten av spikar).

- Kabel utan isolering som kommer att fästas på den yttre aluminiumplåten.

- Linjal och sax.

- Scotch tape.

Obs: En annan version som undviker att placera aluminiumfolien på insidan är att fylla flaskan eller burken med en lösning av vatten och salt, som kommer att fungera som innerplattan.

Bearbeta

Täck flaskan inifrån och ut med aluminiumfolie-remsor, om nödvändigt fixeras de med tejpen och se till att inte överskrida mitten av flaskan för mycket.

- Genomträng försiktigt locket för att passera koppartråden eller kabeln utan isolerande lock, för att sätta flaskans inre aluminiumfolie i kontakt med utsidan, där den ledande sfären ska placeras precis ovanför locket.

- Mer tråd utan isolering används för att binda ytterjackan och göra ett slags handtag. Hela enheten ska se ut som visas i figurerna 1 och 4.

Bild 4. Leyden flaska. Källa: F. Zapata.

experiment

När Leyden-flaskan har byggts kan du experimentera med den:

Experiment 1

Om du har en gammal TV eller monitor med en katodstråleskärm kan du använda den för att ladda flaskan. För att göra detta håller du flaskan med en hand i den yttre plattan medan du tar kabeln som ansluter till den inre delen nära och rör vid skärmen.

Kabeln som är bunden på utsidan ska vara nära kabeln som kommer från insidan av flaskan. Observera att det uppstår en gnista som visar att flaskan har blivit elektriskt laddad.

Experiment 2

Om du inte har en lämplig skärm kan du fylla på Leyden-flaskan genom att hålla den nära en ullduk som du just har tagit ur klädtorken. Ett annat alternativ för laddningskällan är att ta en bit (PVC) rör av plast som tidigare har slipats för att avlägsna fett och lack. Gnid röret med en pappershandduk tills det är tillräckligt laddat.

referenser

1. Leyden flaska. Återställd från: es.wikipedia.org
2. Elektriska instrument. Leyden Jar. Återställd från: Brittanica.com
3. Endesa utbildar. Experiment: Leyden flaska. Återställd från: youtube.com.
4. Leyden Jar. Återställd från: en.wikipedia.org.
5. Leydenkrukans fysik i "MacGyver". Återställs från: wired.com
6. Tippens, P. Fysik: begrepp och tillämpningar. 516-523.