LEYDENOVA LÁHEV: DÍLY, OPERACE, EXPERIMENTY - FYZICKÝ - 2025

Leyden láhev je tenká skleněná láhev nebo nádoba, která obsahuje těsně přiléhající kovové fólie na vnitřní straně a jiným přiléhavé kovové fólie na vnější straně.

Je to první elektrické zařízení v historii, které sloužilo k ukládání elektrických nábojů jednoduše tím, že se jich dotklo, buď tyčinkou nebo vnější vrstvou, s tyčí dříve nabitou třením (triboelektrický efekt) nebo elektrostatickou indukcí. Lze použít také zdroj napětí, jako je článek nebo baterie.

Obrázek 1. Obrázek ukazuje typickou láhev Leyden. Vnitřní vrstva je jedna z kondenzátorových desek a vnější vrstva je druhá deska. Zdroj: Wikimedia Commons. Větev

Dějiny

Vynález Leydenovy láhve je připisován Pieterovi van Musschenbroekovi, profesorovi fyziky na univerzitě v Leydenu v roce 1745. Nezávisle a současně se německému vynálezci Ewaldovi Georgovi von Kleistovi podařilo také ukládat statickou elektřinu s podobnými lahvemi a očekávat Holandský.

Musschenbroek měl za pomoci právníka jménem Cunaeus, kterého pozval do své laboratoře v Leydenu. Tato ušlechtilá postava si jako první všimla, že se náboj nahromadil držením lahvičky s rukou, zatímco tyč nebo jehla byla nabíjena elektrostatickým strojem.

Poté, co profesor Musschenbroek překvapil všechny svým vynálezem, bylo další vylepšení Leydenovy láhve, když bylo zařízení konečně pokřtěno, provedeno v roce 1747 díky lékaři, výzkumníkovi Johnovi Bevisovi a v neposlední řadě astronomovi, který objevil Krabí mlhovina.

Bevis poznamenal, že pokud jste obalili vnější stranu láhve tenkou vrstvou, nemuseli jste ji držet rukou.

Uvědomil si také, že není nutné jej naplňovat vodou nebo alkoholem (původní Musschenbroekova láhev byla naplněna tekutinou) a že bylo pouze nutné zakrýt vnitřní stěnu láhve kovovou fólií v kontaktu s tyčí, která prochází korkem.

Pozdější experimenty odhalily, že se hromadilo více náboje, protože sklo se zmenšovalo a sousední kovový povrch se rozšiřoval.

Části

Části Leydenovy láhve jsou znázorněny na obrázku 1. Sklo působí jako izolátor nebo dielektrikum mezi deskami, kromě toho, že slouží k poskytnutí nezbytné podpory. Desky jsou obvykle tenké plechy z cínu, hliníku nebo mědi.

Izolátor se také používá k výrobě víka nádoby, například ze suchého dřeva, plastu nebo skla. Kryt je propíchnut kovovou tyčí, ze které visí řetěz, který slouží k elektrickému kontaktu s vnitřní deskou.

Materiály potřebné k výrobě Leydenovy láhve

- Skleněná láhev je co nejtenčí

- Kovová fólie (hliník, cín, měď, olovo, stříbro, zlato) pro samostatné zakrytí vnitřní a vnější části láhve.

- Kryt vrtaného izolačního materiálu.

- Kovová tyč pro průchod perforovaným víkem a ta na vnitřním konci má řetěz nebo kabel, který zajišťuje kovový kontakt s vnitřní vrstvou láhve. Druhý konec tyče obvykle končí v kouli, aby se zabránilo elektrickým obloukům v důsledku akumulovaných nábojů na koncích.

Obrázek 2. Části Leydenovy láhve. Zdroj: Wikimedia Commons.

Funguje

K vysvětlení akumulace elektrického náboje je nutné začít stanovením rozdílu mezi izolátory a vodiči.

Kovy jsou vodivé, protože elektrony (nosiče elementárního negativního náboje) se v nich mohou volně pohybovat. Což neznamená, že kov je vždy nabitý, ve skutečnosti zůstává neutrální, když se počet elektronů rovná počtu protonů.

Naproti tomu elektrony uvnitř izolátorů postrádají typickou mobilitu kovů. Nicméně, třením mezi různými izolačními materiály se může stát, že elektrony z povrchu jednoho z nich přecházejí na povrch druhého.

Vracet se do Leydenovy láhve, ve zjednodušené formě, je to kovová fólie oddělená izolátorem od jiné vodivé fólie. Obrázek 3 ukazuje schéma.

Obrázek 3: Zjednodušený diagram láhve Leyden a jak nabíjí náboj. Zdroj: Fanny Zapata.

Předpokládejme, že vnější deska je uzemněna, buď držením ruky nebo drátem. Když se přiblíží tyč, která byla kladně nabita otřením, tyč připojená k vnitřní desce se polarizuje. To vede k oddělení nábojů v sestavě tyč-vnitřní deska.

Elektrony na vnější desce jsou přitahovány k kladným nábojům na protilehlé desce a více elektronů dosáhne vnější desky ze země.

Když je toto spojení přerušeno, deska se nabije záporně a když se tyč odděluje, vnitřní deska se nabije pozitivně.

Kondenzátory nebo kondenzátory

Leydenova láhev byla prvním známým kondenzátorem. Kondenzátor se skládá ze dvou kovových desek oddělených izolátorem a jsou dobře známé v elektřině a elektronice jako nezbytné obvodové prvky.

Nejjednodušší kondenzátor se skládá ze dvou plochých desek oblasti A oddělených vzdáleností d mnohem menší, než je velikost desek.

Kapacita C pro uložení náboje v kondenzátoru s plochými deskami je úměrná ploše A desek a nepřímo úměrná vzdálenosti d mezi deskami. Konstanta proporcionality je elektrická permitivita ε a jsou shrnuty v následujícím výrazu:

Kondenzátor tvořený Leydenovou lahví lze aproximovat dvěma soustřednými válcovými deskami s poloměry a vnitřním a poloměrem b pro vnější desku a výškou L. Rozdíl v poloměrech je přesně tloušťka skla d, což je oddělení mezi deskami.

Kapacita C kondenzátoru s válcovou deskou je dána:

Jak lze z tohoto výrazu odvodit, čím delší je délka L, tím větší kapacita má zařízení.

Objem láhve Leyden

V případě, že tloušťka nebo separace d je mnohem menší než poloměr, lze kapacitu aproximovat vyjádřením plochých desek takto:

V předchozím výrazu p je obvod válcové desky a L je výška.

Bez ohledu na tvar je maximální náboj Q, který může kondenzátor akumulovat, úměrný nabíjecímu napětí V, přičemž kapacita C kondenzátoru je konstanta proporcionality.

Q = C ⋅ V

Láhev domácího Leydena

Díky snadno dostupným materiálům doma a určitým manuálním dovednostem můžete napodobit profesora Musschenbroka a postavit leydenskou láhev. K tomu potřebujete:

- 1 skleněná nebo plastová nádoba, například majonéza.

- 1 perforovaný plastový izolační kryt, skrz který bude veden pevný drát nebo kabel.

- Obdélníkové proužky kuchyňské hliníkové fólie k zakrytí, přilepení nebo přilnutí dovnitř a vně nádoby. Je důležité, aby hliníkový povlak nedosáhl okraje nádoby, může být o něco vyšší než polovina.

- Pružný kabel bez izolace, který je spojen s vnitřkem tyče, takže se dotýká hliníkové fólie, která zakrývá vnitřek stěny láhve.

- Kovová koule (jde na horní část víka, aby se zabránilo účinku hrotů).

- Kabel bez izolace, který bude připevněn k vnějšímu hliníkovému plechu.

- Pravítko a nůžky.

- Skotská páska.

Poznámka: Další verzí, která se vyhýbá práci s umístěním hliníkové fólie na vnitřní stranu, je naplnění láhve nebo sklenice roztokem vody a soli, který bude působit jako vnitřní deska.

Proces

Lahvičku zakryjte proužky z hliníkové fólie, pokud je to nutné, připevněte je lepicí páskou, přičemž dbejte na to, aby příliš nepřevyšoval střed láhve.

- Opatrně propíchněte uzávěr, aby prošel měděným drátem nebo kabelem bez izolačního krytu, aby se vnitřní hliníková fólie láhve dostala do kontaktu s vnější stranou, kde by vodivá koule měla být umístěna těsně nad uzávěrem.

- Pro navázání vnějšího pláště a vytvoření jakési držadla se používá více drátů bez izolace. Celá sestava by měla vypadat jako na obrázcích 1 a 4.

Obrázek 4. Leydenova láhev. Zdroj: F. Zapata.

Experimenty

Jakmile je láhev Leyden vyrobena, můžete s ní experimentovat:

Experiment 1

Pokud máte starý televizor nebo monitor s obrazovkou s katodovým paprskem, můžete jej použít k plnění lahve. K tomu držte láhev jednou rukou za vnější desku, zatímco kabel, který se připojuje k vnitřní části, zavřete a dotkněte se obrazovky.

Kabel přivázaný k vnější straně by měl být v blízkosti kabelu přicházejícího z vnitřku láhve. Všimněte si, že dojde k jiskře, což ukazuje, že se láhev elektricky nabila.

Experiment 2

Pokud nemáte vhodnou obrazovku, můžete vložit láhev Leyden tak, že ji držíte blízko vlněného hadříku, který jste právě vyjmuli ze sušičky na prádlo. Další možností zdroje nabíjení je odebrat plastovou trubku (PVC), která byla předtím pískována, aby se odstranil tuk a lak. Zkumavku protřete papírovou utěrkou, dokud není dostatečně nabitá.

Reference

1. Leydenova láhev. Obnoveno z: es.wikipedia.org
2. Elektrické nástroje. Leyden Jar. Obnoveno z: Brittanica.com
3. Endesa vzdělává. Pokus: Leydenova láhev. Obnoveno z: youtube.com.
4. Leyden Jar. Obnoveno z: en.wikipedia.org.
5. Fyzika Leydenovy nádoby v "MacGyveru". Obnoveno z: wired.com
6. Tippens, P. Physics: Koncepty a aplikace. 516-523.