בקבוק ליידן: חלקים, פעולה, ניסויים - גוּפָנִי - 2025

בקבוק ליידן הוא בקבוק זכוכית דק או צנצנת, המכיל מתכת אלומיניום הדוק על פנימה עוד סרט מתכת הדוקה על החלק החיצוני.

זהו המכשיר החשמלי הראשון בהיסטוריה ששימש לאחסון מטענים חשמליים פשוט על ידי נגיעה בו, אם באמצעות המוט או על ידי הסדין החיצוני, עם סרגל שהוטען בעבר על ידי חיכוך (אפקט טריבואלקטרי) או על ידי אינדוקציה אלקטרוסטטית. ניתן להשתמש במקור מתח כמו תא או סוללה.

איור 1. באיור נראה בקבוק טיפוסי של ליידן. הסדין הפנימי הוא אחד מלוחות הקבלים והיריעה החיצונית היא הפלטה השנייה. מקור: Wikimedia Commons. ענף

הִיסטוֹרִיָה

המצאת בקבוק ליידן נזקפת לזכותו של פיטר ואן מוסשנברוק, פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת ליידן בשנת 1745. באופן עצמאי ובמקביל הצליח הממציא הגרמני אוואלד גאורג פון קליסט לאגור חשמל סטטי עם בקבוקים דומים, בציפייה ל הוֹלַנדִי.

למושנברוק היה עזרה מעורך דין בשם קונאוס, אותו הזמין למעבדתו בליידן. הדמות המופלאה הזו הייתה הראשונה ששמה לב כי המטען שהצטבר כשהוא אוחז בבקבוקון בידו בזמן שהמוט או המחט נטענים במכונה האלקטרוסטטית.

לאחר שפרופסור מוסשנברוק הפתיע את כולם בהמצאתו, השיפור הבא בבקבוק ליידן, כפי שהונתן סוף סוף המכשיר, נעשה בשנת 1747 בזכות ג'ון ביביס, רופא, חוקר ואחרון חביב לאסטרונום שגילה ערפילית הסרטן.

בוויס הבחין כי אם תכסה את החלק החיצוני של הבקבוק בסדין דק, אין צורך להחזיק אותו בידך.

הוא גם הבין שמילויו במים או באלכוהול אינו הכרחי (בקבוק המוסנברוק המקורי היה מלא בנוזל) וכי הוא נדרש רק לכסות את הקיר הפנימי של הבקבוק ברדיד מתכת במגע עם המוט העובר דרך הפקק.

ניסויים מאוחרים חשפו כי מטען רב יותר הצטבר ככל שהזכוכית הפכה דקה יותר ומשטח המתכת הסמוך נרחב יותר.

חלקים

החלקים של בקבוק ליידן מוצגים באיור 1. הזכוכית פועלת כמבודד או דיאלקטרי בין הצלחות, בנוסף להגשה כדי לתת להם את התמיכה הדרושה. הלוחות הם בדרך כלל יריעות דקות של פח, אלומיניום או נחושת.

מבודד משמש גם לייצור מכסה הצנצנת, למשל עץ יבש, פלסטיק או זכוכית. הכיסוי מנוקב על ידי מוט מתכת ממנו תלויה שרשרת המשמשת ליצירת קשר חשמלי עם הפלטה הפנימית.

חומרים הדרושים לייצור בקבוק ליידן

- בקבוק זכוכית, להיות דק ככל האפשר

- נייר כסף (אלומיניום, פח, נחושת, עופרת, כסף, זהב) לכיסוי בנפרד, החלק הפנימי והחיצוני של הבקבוק.

- כיסוי חומר בידוד קדוח.

- מוט מתכת כדי לעבור את המכסה המחורר וכי בקצה הפנימי יש שרשרת או כבל היוצרים קשר מתכתי עם הסדין הפנימי של הבקבוק. הקצה השני של המוט מסתיים בדרך כלל בכדור, כדי להימנע מקשתות חשמליות בגלל מטענים שהצטברו בקצוות.

איור 2. חלקים מבקבוק ליידן. מקור: Wikimedia Commons.

תִפקוּד

כדי להסביר את הצטברות המטען החשמלי יש להתחיל בביסוס ההבדל בין מבודדים למוליכים.

מתכות מוליכות מכיוון שאלקטרונים (נשאים של מטען שלילי אלמנטלי) יכולים לנוע בתוכם בחופשיות. מה שלא אומר שהמתכת תמיד טעונה, למעשה היא נשארת ניטרלית כשמספר האלקטרונים שווה למספר הפרוטונים.

לעומת זאת, אלקטרונים בתוך מבודדים חסרי יכולת ניידות אופיינית של מתכות. עם זאת, על ידי שפשוף בין חומרי בידוד שונים זה יכול לקרות שאלקטרונים משטח אחד מהם עוברים לפני השטח של השני.

חוזר לבקבוק ליידן, בצורה מפושטת, הוא נייר כסף מתכתי המופרד על ידי מבודד מנייר מוליך אחר. איור 3 מראה סכמטי.

איור 3: תרשים מפושט של בקבוק ליידן וכיצד הוא רוכש את המטען. מקור: פאני זפטה.

נניח שהצלחת החיצונית מקורקעת, באמצעות אחיזה ביד או באמצעות חוט. כאשר ניגשים אליו מוט שהוטען באופן חיובי על ידי שפשוף, המוט המחבר לצלחת הפנימית הופך לקוטב. זה מוביל להפרדת מטענים במכלול הצלחות הפנימיות.

האלקטרונים בצלחת החיצונית נמשכים למטענים החיוביים בצלחת הנגדית ואלקטרונים נוספים מגיעים לצלחת החיצונית מהאדמה.

כאשר חיבור זה נשבר, הפלטה נטענת שלילית וכאשר המוט מופרד, הפלטה הפנימית נעשית טעונה חיובית.

קבלים או קבלים

בקבוק ליידן היה הקבל הידוע הראשון. קבל מורכב משני לוחות מתכת המופרדים על ידי מבודד והם מוכרים היטב בתחום החשמל והאלקטרוניקה כאלמנטים במעגל חיוני.

הקבל הפשוט ביותר מורכב משתי צלחות שטוחות של שטח A המופרדות על ידי מרחק d קטן בהרבה מגודל הלוחות.

הקיבולת C לאחסון מטען בקבל צלחת שטוחה היא פרופורציונלית לשטח A של הלוחות, ויחס הפוך למרווח d בין הצלחות. קבוע המידתיות הוא ההיתר החשמלי ε והם מסוכמים בביטוי הבא:

ניתן לערער את הקבל שנוצר על ידי בקבוק ליידן על ידי שני לוחות גליליים קונצנטריים עם רדיוסים פנימיים ורדיוס b עבור הפלטה החיצונית וגובה L. ההבדל ברדיוסים הוא בדיוק עובי הזכוכית d שהוא ההפרדה בין הצלחות.

הקיבולת C של קבל צלחת גלילית ניתנת על ידי:

כפי שניתן להסיק מהביטוי הזה, ככל שאורך L ארוך יותר, כך יש למכשיר קיבולת רבה יותר.

קיבולת בקבוק ליידן

במקרה שהעובי או ההפרדה d הם הרבה פחות מהרדיוס, אזי ניתן יהיה לערוך את הקיבולת על ידי ביטוי הלוחות השטוחים כדלקמן:

בביטוי הקודם p הוא היקף הלוח הגלילי ו- L הוא הגובה.

בלי קשר לצורה, המטען המקסימלי Q אותו יכול קבל לצבור הוא פרופורציונלי למתח הטעינה V, כאשר הקיבול C של הקבל הוא קבוע המידתיות.

Q = C ⋅ V

בקבוק ליידן ביתי

עם חומרים זמינים בבית וכישורים ידניים מסוימים, תוכלו לחקות את פרופסור מוסשנברוק ולבנות בקבוק ליידן. לשם כך אתה צריך:

- צנצנת זכוכית אחת או פלסטיק, כמו מיונז.

- כיסוי בידוד מפלסטיק מחורר שדרכו יועברו חוט או כבל קשיחים.

- רצועות מלבניות של נייר אלומיניום למטבח לכיסוי, הדבקה או הדבקה של צנצנת הפנים ומחוצה לה. חשוב שציפוי האלומיניום לא יגיע לקצה הצנצנת, הוא יכול להיות מעט גבוה ממחציתו.

- כבל גמיש ללא בידוד המשובר לחלק הפנימי של המוט, כך שהוא יוצר מגע עם נייר האלומיניום המכסה את פנים קיר הבקבוק.

- כדור מתכתי (הולך על גבי המכסה כדי למנוע את השפעת הדוקרנים).

- כבל ללא בידוד שיוצמד לדופן האלומיניום החיצונית.

- סרגל ומספריים.

- קלטת סקוטית.

הערה: גרסה נוספת שנמנעת מעבודת הנחת נייר האלומיניום מבפנים היא למלא את הבקבוק או הצנצנת בתמיסה של מים ומלח, אשר ישמשו כצלחת הפנימית.

תהליך

מכסים את הבקבוק מבפנים ומבחוץ עם רצועות נייר האלומיניום, במידת הצורך הם מקובעים בעזרת סרט ההדבקה, והקפידו לא לחרוג מדי באמצע הבקבוק.

- נקב בזהירות את המכסה כדי לעבור את חוט הנחושת או הכבל ללא כיסוי בידוד, בכדי להכניס את נייר האלומיניום הפנימי של הבקבוק במגע עם החוץ, שם יש למקם את הכדור המוליך ממש מעל הכובע.

- יותר חוט ללא בידוד משמש לאגירת הז'קט החיצוני וליצור סוג של ידית. כל המכלול אמור להיראות כמו שמוצג בתמונות 1 ו -4.

איור 4. בקבוק ליידן. מקור: פ. זפטה.

ניסויים

לאחר בניית בקבוק ליידן, תוכלו להתנסות בזה:

ניסוי 1

אם יש לכם טלוויזיה ישנה או צג עם מסך קרני קתודי, תוכלו להשתמש בו כדי להטעין את הבקבוק. לשם כך, החזק את הבקבוק ביד אחת בצלחת החיצונית, תוך הבאת הכבל שמתחבר לחלק הפנימי קרוב ונוגע במסך.

הכבל שקשור מבחוץ צריך להיות קרוב לכבל שמגיע מבפנים של הבקבוק. שימו לב שמתרחש ניצוץ שמראה שהבקבוק נטען חשמלי.

ניסוי 2

אם אין לכם מסך מתאים, תוכלו להעמיס את בקבוק היידן על ידי החזקתו קרוב לבד צמר שרקמתם ממייבש הבגדים. אפשרות נוספת למקור הטעינה היא לקחת חתיכת צינור פלסטיק (PVC) שננדחה בעבר כדי להסיר שומן ולכה. שפשף את הצינור עם מגבת נייר עד שהוא טעון מספיק.

הפניות

1. בקבוק ליידן. התאושש מ: es.wikipedia.org
2. מכשירי חשמל. ליידן ג'ר. התאושש מ: Brittanica.com
3. אנדסה מחנכת. ניסוי: בקבוק ליידן. התאושש מ-: youtube.com.
4. ליידן ג'ר. התאושש מ: en.wikipedia.org.
5. הפיזיקה של צנצנת ליידן בסרט "מקגיבר". התאושש מ: wired.com
6. טיפנס, פ. פיסיקה: מושגים ויישומים. 516-523.