LEYDEN PUDELE: DETAĻAS, DARBĪBA, EKSPERIMENTI - FIZISKĀ - 2025

Leidenas pudele ir plānas stikla pudele vai jar, kas satur cieši pieguļošu metāla folija uz iekšpusi un kādu citu cieši piegulošu metāla plēve uz ārpusi.

Tā ir pirmā elektriskā ierīce vēsturē, kas kalpoja elektrisko lādiņu glabāšanai, vienkārši pieskaroties tai vai nu ar stieni, vai pie ārējās loksnes, ar stieni iepriekš uzlādējot ar berzi (triboelektrisko efektu) vai ar elektrostatisko indukciju. Var izmantot arī sprieguma avotu, piemēram, elementu vai akumulatoru.

1. attēls. Attēlā parādīta tipiska Leyden pudele. Iekšējā lapa ir viena no kondensatora plāksnēm, un ārējā lapa ir otra plāksne. Avots: Wikimedia Commons. Filiāle

Vēsture

Leyden pudeles izgudrojums tiek ieskaitīts 1745. gadā Leyden Universitātes fizikas profesoram Pieter van Musschenbroek. Neatkarīgi un vienlaikus vācu izgudrotājam Ewald Georg von Kleist izdevās arī uzglabāt statisko elektrību ar līdzīgām pudelēm, paredzot Holandiešu.

Mušenbroekam palīdzēja jurists ar nosaukumu Cunaeus, kuru viņš bija uzaicinājis uz savu laboratoriju Leydenā. Šis prātīgais varonis bija pirmais, kurš pamanīja, ka lādiņš, kas uzkrājies, turot flakonu ar roku, kamēr stieni vai adatu uzlādē ar elektrostatisko mašīnu.

Pēc tam, kad profesors Musschenbroek visus pārsteidza ar savu izgudrojumu, nākamais Leyden pudeles uzlabojums, kad ierīce beidzot tika kristīta, tika veikts 1747. gadā, pateicoties ārstam, pētniekam Džonam Bevisam un visbeidzot astronomam, kurš atklāja krabju miglājs.

Beviss novēroja, ka, ja jūs pudeles ārpusi pārklājāt ar plānu loksni, nevajadzēja to turēt ar roku.

Viņš arī saprata, ka tā piepildīšana ar ūdeni vai spirtu nav nepieciešama (oriģinālā Musschenbroek pudele bija piepildīta ar šķidrumu) un ka pudeles iekšējās sienas bija jāpārklāj tikai ar metāla foliju saskarē ar stieni, kas iet caur korķi.

Vēlākie eksperimenti atklāja, ka vairāk lādiņa uzkrājās, stiklam kļūstot plānākam un blakus esošajai metāla virsmai plašākai.

Daļas

Leyden pudeles daļas ir parādītas 1. attēlā. Stikls darbojas kā izolators vai dielektriķis starp plāksnēm, papildus tam, lai kalpotu, lai tām nodrošinātu nepieciešamo atbalstu. Plātnes parasti ir plānas alvas, alumīnija vai vara loksnes.

Burkas vāka izgatavošanai izmanto arī izolatoru, piemēram, no sausa koka, plastmasas vai stikla. Pārsegu caururbj metāla stienis, no kura karājas ķēde, kas kalpo, lai izveidotu elektrisku kontaktu ar iekšējo plāksni.

Leydenas pudeles izgatavošanai nepieciešamie materiāli

- Stikla pudele, pēc iespējas plānāka

- Metāla folija (alumīnijs, alva, varš, svins, sudrabs, zelts), lai atsevišķi pārklātu pudeles iekšējo un ārējo daļu.

- urbts izolācijas materiāla pārsegs.

- Metāla stienis, kas iet cauri perforētam vākam, un kura iekšējā galā ir ķēde vai kabelis, kas metāliski nonāk saskarē ar pudeles iekšējo lapu. Stieņa otrs gals parasti atrodas sfērā, lai izvairītos no elektriskiem lokiem, jo ​​galos uzkrājas lādiņi.

2. attēls. Leyden pudeles daļas. Avots: Wikimedia Commons.

Darbojas

Lai izskaidrotu elektriskā lādiņa uzkrāšanos, vispirms jāsāk noteikt starpība starp izolatoriem un vadītājiem.

Metāli ir vadoši, jo elektroni (elementārā negatīvā lādiņa nesēji) tajos var brīvi pārvietoties. Kas nenozīmē, ka metāls vienmēr ir uzlādēts, patiesībā tas paliek neitrāls, kad elektronu skaits ir vienāds ar protonu skaitu.

Turpretī elektroniem izolatoru iekšienē trūkst tipiskas metālu kustības. Tomēr, berzējot starp dažādiem izolācijas materiāliem, var gadīties, ka elektroni no viena no tiem virsmas nonāk otra virsmā.

Atgriežoties pie Leyden pudeles, vienkāršotā formā tā ir metāla folija, kuru ar izolatoru atdala no citas vadošas folijas. 3. attēlā parādīta shematiska shēma.

3. attēls. Vienkāršota Leyden pudeles shēma un kā tā iegūst lādiņu. Avots: Fanny Zapata.

Pieņemsim, ka ārējā plāksne ir iezemēta vai nu ar roku, vai ar vadu. Kad tuvojas stienim, kuru pozitīvi uzlādēja, berzējot, stienis, kas savienojas ar iekšējo plāksni, kļūst polarizēts. Tas noved pie maksas atdalīšanas stieņa iekšējās plāksnes komplektācijā.

Elektroni uz ārējās plāksnes tiek piesaistīti pozitīvajiem lādiņiem pretējā plāksnē, un vairāk elektronu sasniedz ārējo plāksni no zemes.

Kad šis savienojums ir salauzts, plāksne kļūst negatīvi uzlādēta, un, kad stienis ir atdalīts, iekšējā plāksne kļūst pozitīvi uzlādēta.

Kondensatori vai kondensatori

Leyden pudele bija pirmais zināmais kondensators. Kondensators sastāv no divām metāla plāksnēm, kas atdalītas ar izolatoru, un elektrībā un elektronikā tās ir labi pazīstamas kā neaizstājami ķēdes elementi.

Vienkāršākais kondensators sastāv no divām plakanām plāksnēm, kuru laukums A ir atdalīts ar attālumu d, kas ir daudz mazāks par plākšņu lielumu.

Caurlaide C akumulatora uzlādei plakanā plāksnes kondensatorā ir proporcionāla plākšņu A laukumam un apgriezti proporcionāla atstarpei d starp plāksnēm. Proporcionalitātes konstante ir elektriskā caurlaidība ε, un tās ir apkopotas šādā izteiksmē:

Leyden pudeles izveidoto kondensatoru var tuvināt ar divām koncentriskām cilindriskām plāksnēm ar iekšējo rādiusu un rādiusu b ārējai plāksnei un ar L augstumu. Rādiusu atšķirība ir precīzi stikla biezums d, kas ir atdalījums starp plāksnēm.

Cilindriskā plāksnes kondensatora ietilpību C aprēķina pēc:

Kā var secināt no šīs izteiksmes, jo garāks garums L, jo lielāka ierīces ietilpība.

Leyden pudeles ietilpība

Ja biezums vai atdalījums d ir daudz mazāks par rādiusu, tad ietilpību var tuvināt, izsakot plakanās plāksnes šādi:

Iepriekšējā izteiksmē p ir cilindriskās plāksnes perimetrs, un L ir augstums.

Neatkarīgi no formas, maksimālais lādiņš Q, ko kondensators var uzkrāties, ir proporcionāls lādēšanas spriegumam V, kondensatora kapacitātei C ir proporcionalitātes konstante.

Q = C ⋅ V

Pudele pašmāju Leyden

Izmantojot mājās pieejamos materiālus un nedaudz manuālo prasmju, jūs varat līdzināties profesoram Musschenbroek un uzbūvēt Leyden pudeli. Tam jums ir nepieciešams:

- 1 stikla vai plastmasas burka, piemēram, majonēze.

- 1 perforēts plastmasas izolācijas apvalks, caur kuru tiks izvadīts stingrs vads vai kabelis.

- taisnstūrveida virtuves alumīnija folijas sloksnes, lai pārklātu, pielīmētu vai pielīmētu burkas iekšpusi un ārpusi. Ir svarīgi, lai alumīnija pārklājums nesasniegtu burka malu, tas var būt nedaudz lielāks par pusi.

- Elastīgs kabelis bez izolācijas, kas ir savienots ar stieņa iekšpusi tā, lai tas nonāktu saskarē ar alumīnija foliju, kas pārklāj pudeles sienas iekšpusi.

- metāliska lode (iet uz vāka, lai izvairītos no smaiļu ietekmes).

- Kabelis bez izolācijas, kas tiks piestiprināts pie ārējās alumīnija loksnes.

- Lineāls un šķēres.

- Līmlente.

Piezīme: Vēl viena versija, kurā nav iespējams novietot alumīnija foliju no iekšpuses, ir piepildīt pudeli vai burku ar ūdens un sāls šķīdumu, kas darbosies kā iekšējā plāksne.

Process

Pārklājiet pudeli no iekšpuses un ārpuses ar alumīnija folijas sloksnēm, ja nepieciešams, tās piestiprina ar līmlenti, uzmanot, lai pudeles vidus nepārsniegtu pārāk daudz.

- Uzmanīgi caurdurt vāciņu, lai izietu vara stieple vai kabelis bez izolācijas pārsega, lai pudeles iekšējā alumīnija folija nonāktu saskarē ar ārpusi, kur vadošā lode būtu jānovieto tieši virs vāciņa.

- Lai sasietu ārējo apvalku un izveidotu sava veida rokturi, tiek izmantots vairāk stiepļu bez izolācijas. Visam montāžai vajadzētu izskatīties tā, kā parādīts 1. un 4. attēlā.

4. attēls. Leyden pudele. Avots: F. Zapata.

Eksperimenti

Kad Leyden pudele ir uzbūvēta, varat ar to eksperimentēt:

1. eksperiments

Ja jums ir vecs televizors vai monitors ar katodstaru ekrānu, varat to izmantot, lai uzlādētu pudeli. Lai to izdarītu, turiet pudeli ar vienu roku aiz ārējās plāksnes, vienlaikus aizverot kabeli, kas savieno ar iekšējo daļu, un pieskaroties ekrānam.

Kabelim, kas piesiets pie ārpuses, jābūt tuvu kabelim, kas nāk no pudeles iekšpuses. Ņemiet vērā, ka rodas dzirkstele, kas parāda, ka pudele ir elektriski uzlādēta.

2. eksperiments

Ja jums nav piemērota ekrāna, varat ievietot Leyden pudeli, turot to tuvu vilnas audumam, kuru tikko paņēmāt no drēbju žāvētāja. Vēl viena uzlādes avota iespēja ir ņemt plastmasas (PVC) caurules gabalu, kas iepriekš ir slīpēts, lai noņemtu taukus un laku. Berzējiet mēģeni ar papīra dvieli, līdz tā ir pietiekami uzlādēta.

Atsauces

1. Leyden pudele. Atgūts no: es.wikipedia.org
2. Elektriskie instrumenti. Leyden Jar. Atgūts no: Brittanica.com
3. Endesa izglītojas. Eksperiments: Leyden pudele. Atgūts no: youtube.com.
4. Leyden Jar. Atgūts no: en.wikipedia.org.
5. Leyden burkas fizika filmā "MacGyver". Atgūts no: wired.com
6. Tippens, P. Fizika: jēdzieni un pielietojumi. 516-523.