ЛЕИДЕН-ОВА БОЦА: ДЕЛОВИ, ОПЕРАЦИЈА, ЕКСПЕРИМЕНТИ - ФИЗИЧКИ - 2025

Леиден Бочица је танка стаклена боца или тегла, који садржи чврсто уклапа металну фолију изнутра и других чврсто припијене метала филма на споља.

То је први електрични уређај у историји који је служио за смештање електричних набоја једноставним додиром, било шипком или спољним листом, шипком претходно набијеном трењем (трибоелектричним ефектом) или електростатском индукцијом. Извор напона, попут ћелије или батерије, такође се може користити.

Слика 1. На слици је приказана типична Леиден-ова боца. Унутрашњи лист је једна од плоча кондензатора, а спољни је друга плоча. Извор: Викимедиа Цоммонс. Огранак

Историја

Изум боце Леиден заслужан је за професора физике на Универзитету у Леидену 1745. Пиетера ван Муссцхенброека. Независно и истовремено, немачки проналазач Евалд Георг вон Клеист такође је успео да складишти статички електрицитет са сличним боцама Холандски.

Муссцхенброек је имао помоћ адвоката по имену Цунаеус, кога је позвао у своју лабораторију у Леидену. Овај безобразни лик први је приметио да се набој накупља држећи бочицу руком док се шипка или игла пунио електростатичком машином.

Након што је професор Муссцхенброек изненадио све својим изумом, следеће побољшање Леиден-ове боце, пошто је уређај коначно ошишан, направљено је 1747. године захваљујући Јохну Бевису, лекару, истраживачу и последњем, али не најмање битном астроному који је открио ракова маглина

Бевис је приметио да ако спољашњу страну флаше прекрите танким лимом, нема потребе да је држите руком.

Такође је схватио да га пуњење водом или алкохолом није потребно (првотна Муссцхенброекова боца била је напуњена течношћу) и да је потребно само да се унутарњи зид боце прекри металном фолијом у контакту са штапом који пролази кроз плуту.

Каснији експерименти открили су да се више набоја накупљало како се стакло тањи, а суседна метална површина већа.

Делови

Делови Леиден-ове боце приказани су на слици 1. Стакло делује као изолатор или диелектрик између плоча, поред што служи за пружање потребне подршке. Плоче су обично танки листови од коситра, алуминијума или бакра.

Такође се користи изолатор за прављење поклопца тегле, на пример суво дрво, пластика или стакло. Поклопац је пробијен металном шипком са које виси ланац који служи за електрични контакт са унутрашњом плочом.

Материјали потребни за прављење Лејденове боце

- Стаклена боца, што је могуће тања

- Метална фолија (алуминијум, коситер, бакар, олово, сребро, злато) која покрива засебно, унутрашњи и спољни део боце.

- Избушени поклопац изолационог материјала.

- Метална шипка која иде кроз перфорирани поклопац и на унутрашњем крају има ланац или сајлу који врши метални контакт са унутрашњим листом боце. Други крај штапа се углавном завршава у сфери, како би се избегли електрични лукови због нагомиланих набоја на крајевима.

Слика 2. Делови Леиден-ове боце. Извор: Викимедиа Цоммонс.

Функционисање

Да бисмо објаснили акумулацију електричног набоја, потребно је започети утврђивањем разлике између изолатора и проводника.

Метали су проводљиви, јер се електрони (носиоци елементарног негативног набоја) могу слободно кретати унутар њих. Што не значи да је метал увек набијен, у ствари остаје неутралан када је број електрона једнак броју протона.

Супротно томе, електронима у изолаторима недостаје типична покретљивост метала. Међутим, трљањем између различитих изолационих материјала може се догодити да електрони са површине једног од њих пређу на површину другог.

Враћајући се Леиден-овој боци, у поједностављеном је облику метални лим одвојен изолатором од другог проводљивог лима. На слици 3 приказана је шема.

Слика 3: Поједностављени дијаграм Леиден-ове боце и начин на који пуњење пуни. Извор: Фанни Запата.

Претпоставимо да је спољна плоча уземљена, било руком или жицом. Када му се приђе штап који се трљањем позитивно наелектрисао, штап који се спаја на унутрашњу плочу постаје поларизован. То доводи до одвајања набоја у склопу плоче-унутрашње плоче.

Електрони на спољној плочи привлаче позитивна наелектрисања на супротној плочи и више електрона достиже спољну плочу из земље.

Када се та веза прекине, плоча постаје негативно напуњена, а када се штап одвоји, унутрашња плоча постаје позитивно напуњена.

Кондензатори или кондензатори

Боца Леиден била је први познати кондензатор. Кондензатор се састоји од две металне плоче одвојене изолатором и оне су добро познате у струји и електроници као неопходни елементи круга.

Најједноставнији кондензатор састоји се од две равне плоче површине А одвојене удаљеност д много мања од величине плоча.

Капацитет Ц за складиштење набоја у равни кондензатор плоче пропорционалан је површини А плоча и обрнуто пропорционалан размаку д између плоча. Константа пропорционалности је електрична дозвола ε и она се сумира у следећем изразу:

Кондензатор формиран у Леиден-овој боци може се приближити двема концентричним цилиндричним плочама са радијусима унутрашњим и полумјером б за спољну плочу и висину Л. Разлика у радијусу је управо у дебљини стакла д која је раздвајање плоча.

Капацитет цилиндричног плоча кондензатора Ц даје:

Као што се из овог израза може закључити, што је дужина Л већа, капацитет уређаја је већи.

Капацитет боце Леиден

У случају да је дебљина или раздвајање д много мања од полупречника, капацитет се може апроксимирати изразом равних плоча на сљедећи начин:

У претходном изразу п је обод цилиндричне плоче, а Л висина.

Без обзира на облик, максимално наелектрисање К које кондензатор може да акумулира пропорционално је напону наелектрисања В, при чему је капацитет кондензатора Ц константа пропорционалности.

К = Ц ⋅ В

Флаша домаћег Леидена

Са лако доступним материјалима код куће и неком ручном вештином, можете опонашати професора Муссцхенброека и створити Леиден-ову боцу. За ово вам је потребно:

- 1 стаклена или пластична тегла, попут мајонеза.

- 1 перфорирани пластични изолациони поклопац кроз који ће проћи крута жица или кабл.

- Правоугаоне траке кухињске алуминијумске фолије за прекривање, лепљење или пријањање са унутрашње и спољашње стране тегле. Важно је да алуминијумски премаз не досегне ивицу тегле, може бити и мало већи од половине.

- Флексибилан кабл без изолације који је спојен са унутрашњошћу шипке, тако да ствара контакт са алуминијумском фолијом која покрива унутрашњост стијенке боце.

- Метална сфера (иде на врх поклопца да се избегне ефекат шиљака).

- Кабл без изолације који ће бити причвршћен на спољни алуминијумски лим.

- Владар и маказе.

- Лепљива трака.

Напомена: Друга верзија која избегава рад стављања алуминијумске фолије на унутрашњу страну је напунити боцу или теглу раствором воде и соли, који ће деловати као унутрашња плоча.

Процес

Боцу прекријте изнутра и споља тракама од алуминијумске фолије, по потреби се учвршћују лепљивом траком, водећи рачуна да превише не пређе средину боце.

- Пажљиво пробушите поклопац да прође бакарну жицу или кабл без изолационог поклопца, да унутрашњу алуминијумску фолију боце додирнете са спољашњом, где треба проводну сферу поставити изнад капице.

- Више жица без изолације користи се за везање вањске јакне и прављење врсте дршке. Читав склоп треба да изгледа као што је приказано на сликама 1 и 4.

Слика 4. Леиден-ова боца. Извор: Ф. Запата.

Експерименти

Једном када је Леиден боца направљена, можете експериментисати са њом:

Експеримент 1

Ако имате стари телевизор или монитор са катодним екраном, можете га користити за пуњење боце. Да бисте то учинили, држите боцу једном руком за спољашњу плочу, а кабл који се спаја на унутрашњи део затворите и додирните екран.

Кабл везан споља треба да буде близу кабла који долази са унутрашњости боце. Имајте на уму да долази до искре која показује да је боца постала електрично напуњена.

Експеримент 2

Ако немате одговарајући екран, можете пунити Леиден-ову боцу тако што ћете је држати близу вунене крпе коју сте управо извадили из сушача за одећу. Друга опција за извор пуњења је да узмете комад пластичне (ПВЦ) цеви која је претходно брушена како би се уклонили масти и лакови. Трљајте цијев папирнатим ручником док се не напуни довољно.

Референце

1. Леиденска боца. Опоравак од: ес.википедиа.орг
2. Електрични инструменти Леиден Јар. Опоравак од: Бриттаница.цом
3. Ендеса едуцатес. Експеримент: Леиден-ова боца. Опоравак од: иоутубе.цом.
4. Леиден Јар. Опоравак од: ен.википедиа.орг.
5. Тхе Пхисицс оф Леиден јар у "МацГиверу". Опоравак од: виред.цом
6. Типпенс, П. Физика: појмови и апликације. 516-523.