STICLA LEYDEN: PIESE, OPERARE, EXPERIMENTE - FIZIC - 2025

Sticla Leyden este un flacon de sticlă subțire sau borcan, care conține o folie metalică strâns montarea pe interior și un alt film de metal cu ajustaj strâns la exterior.

Este primul dispozitiv electric din istorie care a servit la stocarea încărcărilor electrice prin simpla atingere, fie prin tijă, fie prin foaia exterioară, cu o bară încărcată anterior prin frecare (efect triboelectric) sau prin inducție electrostatică. De asemenea, poate fi utilizată o sursă de tensiune, cum ar fi o celulă sau o baterie.

Figura 1. Figura prezintă o sticlă tipică de Leyden. Foaia interioară este una dintre plăcile condensatorului, iar foaia exterioară este cealaltă placă. Sursa: Wikimedia Commons. ramură

Istorie

Invenția sticlei Leyden este creditată lui Pieter van Musschenbroek, profesor de fizică la Universitatea din Leyden în 1745. În mod independent și simultan, inventatorul german Ewald Georg von Kleist a reușit să stocheze și energie electrică statică cu sticle similare, anticipând olandeză.

Musschenbroek a avut ajutorul unui avocat pe nume Cunaeus, pe care l-a invitat la laboratorul său din Leyden. Acest personaj înțelept a fost primul care a observat că sarcina acumulată ținând flaconul cu mâna în timp ce bara sau acul erau încărcate cu mașina electrostatică.

După ce profesorul Musschenbroek a surprins pe toată lumea cu invenția sa, următoarea îmbunătățire a sticlei Leyden, întrucât dispozitivul a fost în sfârșit botezat, a fost făcută în 1747 datorită lui John Bevis, medic, cercetător și, în ultimul rând, nu în ultimul rând astronomului care a descoperit nebuloasa Crabului.

Bevis a observat că dacă acoperiți exteriorul sticlei cu o foaie subțire, nu este nevoie să o țineți cu mâna.

De asemenea, el și-a dat seama că umplerea cu apă sau alcool nu era necesară (sticla originală Musschenbroek era umplută cu lichid) și că era necesară doar acoperirea peretelui interior al sticlei cu folie metalică în contact cu toiagul care trece prin plută.

Experimentele ulterioare au relevat că mai multă încărcătură s-a acumulat pe măsură ce sticla a devenit mai subțire și suprafața metalică adiacentă mai extinsă.

Părți

Piesele unei sticle Leyden sunt prezentate în figura 1. Sticla acționează ca un izolator sau dielectric între plăci, pe lângă faptul că servește pentru a le oferi sprijinul necesar. Plăcile sunt de obicei foi subțiri de staniu, aluminiu sau cupru.

Un izolator este de asemenea utilizat pentru a face capacul borcanului, de exemplu lemn uscat, plastic sau sticlă. Capacul este străpuns de o tijă metalică de pe care atârnă un lanț care servește pentru a face contact electric cu placa internă.

Materiale necesare pentru fabricarea sticlei de Leyden

- Sticlă de sticlă, fiind cât se poate de subțire

- Folie metalică (aluminiu, staniu, cupru, plumb, argint, aur) pentru a acoperi separat, partea internă și externă a sticlei.

- Capac de material izolant găurit.

- Tija de metal pentru a trece prin capacul perforat și care la capătul interior are un lanț sau un cablu care face contact metalic cu foaia interioară a sticlei. Celălalt capăt al tijei se termină în general într-o sferă, pentru a evita arcurile electrice datorate încărcărilor acumulate pe capete.

Figura 2. Piese ale unei sticle Leyden. Sursa: Wikimedia Commons.

Funcționarea

Pentru a explica acumularea de sarcină electrică este necesar să se înceapă prin stabilirea diferenței dintre izolatori și conductori.

Metalele sunt conductoare deoarece electronii (purtători de sarcină negativă elementară) se pot deplasa liber în interiorul lor. Ceea ce nu înseamnă că metalul este întotdeauna încărcat, de fapt rămâne neutru atunci când numărul de electroni este egal cu numărul de protoni.

În schimb, electronii din interiorul izolatorilor nu au mobilitatea tipică a metalelor. Cu toate acestea, prin frecarea dintre diferite materiale izolatoare se poate întâmpla ca electronii de la suprafața unuia dintre ei să treacă pe suprafața celuilalt.

Revenind la sticla Leyden, în formă simplificată, este o folie metalică separată de un izolator de o altă folie conductivă. Figura 3 prezintă o schemă.

Figura 3: Diagrama simplificată a sticlei de Leyden și modul în care dobândește taxa. Sursa: Fanny Zapata.

Să presupunem că placa externă este legată la pământ, fie prin menținere manuală, fie printr-un fir. Când este apropiat de o tijă care a fost încărcată pozitiv prin frecare, tija care se conectează la placa interioară devine polarizată. Aceasta duce la o separare a sarcinilor în ansamblul plăcii interioare.

Electronii de pe placa exterioară sunt atrași de sarcinile pozitive de pe placa opusă și mai mulți electroni ajung pe placa exterioară de la sol.

Când această conexiune este ruptă, placa devine încărcată negativ, iar când tija este separată, placa interioară devine încărcată pozitiv.

Condensatoare sau condensatoare

Sticla Leyden a fost primul condensator cunoscut. Un condensator este format din două plăci metalice separate de un izolator și sunt bine cunoscute în electricitate și electronică ca elemente de circuit indispensabile.

Cel mai simplu condensator este format din două plăci plane ale zonei A, separate de o distanță d mult mai mică decât dimensiunea plăcilor.

Capacitatea C de a stoca sarcina într-un condensator cu plăci plane este proporțională cu aria A a plăcilor și invers proporțională cu distanța dintre plăci. Constanta de proporționalitate este permisiunea electrică ε și sunt rezumate în următoarea expresie:

Condensatorul format din sticla Leyden poate fi aproximat de două plăci cilindrice concentrice cu raze interne și rază b pentru placa externă și înălțimea L. Diferența în raze este tocmai grosimea paharului d, care este separarea între plăci.

Capacitatea C a unui condensator cu placă cilindrică este dată de:

După cum se poate deduce din această expresie, cu cât lungimea L este mai mare, cu atât este mai mare capacitatea dispozitivului.

Capacitate flacon Leyden

În cazul în care grosimea sau separarea d este mult mai mică decât raza, atunci capacitatea poate fi aproximată prin expresia plăcilor plane după cum urmează:

În expresia anterioară p este perimetrul plăcii cilindrice, iar L este înălțimea.

Indiferent de formă, sarcina maximă Q pe care o poate acumula un condensator este proporțională cu tensiunea de încărcare V, capacitatea C a condensatorului fiind constanta de proporționalitate.

Q = C ⋅ V

Sticlă de Leyden de casă

Cu materiale disponibile la domiciliu și o anumită îndemânare manuală, puteți imita profesorul Musschenbroek și construi o sticlă Leyden. Pentru asta aveți nevoie:

- 1 borcan de sticlă sau plastic, cum ar fi maioneza.

- 1 capac izolant din material plastic perforat prin care va trece un fir sau un cablu rigid.

- Fâșii dreptunghiulare din folie de aluminiu de bucătărie pentru acoperire, lipire sau aderare la interiorul și exteriorul borcanului. Este important ca acoperirea din aluminiu să nu ajungă la marginea borcanului, poate fi puțin mai mare decât jumătate.

- Un cablu flexibil, fără izolație, care este despicat în interiorul tijei, astfel încât să ia contact cu folia de aluminiu care acoperă interiorul peretelui sticlei.

- Sferă metalică (merge pe partea de sus a capacului pentru a evita efectul de vârfuri).

- Cablu fără izolație care va fi atașat pe tabla exterioară de aluminiu.

- Conducător și foarfece.

- Bandă adezivă.

Notă: O altă versiune care evită munca de plasare a foliei de aluminiu pe interior este să umpleți sticla sau borcanul cu o soluție de apă și sare, care va acționa ca placa interioară.

Proces

Acoperiți flaconul în interior și în exterior cu benzi din folie de aluminiu, dacă este necesar, acestea sunt fixate cu banda adezivă, având grijă să nu depășească prea mult mijlocul sticlei.

- Îndepărtați cu grijă capacul pentru a trece firul de cupru sau cablul fără capac de izolare, pentru a pune folia interioară de aluminiu a sticlei în contact cu exteriorul, unde sfera conductoare ar trebui să fie amplasată chiar deasupra capacului.

- Mai multă sârmă fără izolație este folosită pentru a lega mantaua exterioară și a face un fel de mâner. Întregul ansamblu ar trebui să arate ca ceea ce este prezentat în figurile 1 și 4.

Figura 4. Sticla de Leyden. Sursa: F. Zapata.

Experimentele

Odată ce sticla Leyden este construită, puteți experimenta cu aceasta:

Experimentul 1

Dacă aveți un televizor vechi sau un monitor cu ecran cu raze catodice, îl puteți utiliza pentru a încărca sticla. Pentru a face acest lucru, țineți sticla cu o mână de placa exterioară, în timp ce apropiați cablul care se conectează la partea interioară și atingeți ecranul.

Cablul legat la exterior trebuie să fie aproape de cablul care vine din interiorul sticlei. Rețineți că apare o scânteie care arată că sticla a fost încărcată electric.

Experimentul 2

Dacă nu aveți un ecran adecvat, puteți încărca sticla Leyden ținând-o aproape de o cârpă de lână pe care tocmai ați luat-o din uscătorul de haine. O altă opțiune pentru sursa de încărcare este să luați o bucată de tub din plastic (PVC) care a fost șlefuit anterior pentru a îndepărta grăsimea și lacul. Frecați tubul cu un prosop de hârtie până este încărcat suficient.

Referințe

1. Sticla de Leyden. Recuperat de la: es.wikipedia.org
2. Instrumente electrice. Leyden Jar. Recuperat de la: Brittanica.com
3. Endesa educă. Experiment: sticlă de Leyden. Recuperat de pe: youtube.com.
4. Leyden Jar. Recuperat de la: en.wikipedia.org.
5. Fizica borcanului Leyden din „MacGyver”. Recuperat de la: wired.com
6. Tippens, P. Fizica: concepte și aplicații. 516-523.