زجاجة ليدن: الأجزاء ، التشغيل ، التجارب - جسدي - بدني - 2025

و زجاجة ليدن هو زجاجة رقيقة أو جرة، والذي يحتوي على رقاقة معدنية المناسب بإحكام في الداخل وفيلم معدن آخر لتركيب ضيق في الخارج.

إنه أول جهاز كهربائي في التاريخ تم استخدامه لتخزين الشحنات الكهربائية ببساطة عن طريق لمسها ، إما بالقضيب أو بالصفيحة الخارجية ، بقضيب مشحون مسبقًا بالاحتكاك (تأثير كهرباء الاحتكاك) أو بالحث الكهروستاتيكي. يمكن أيضًا استخدام مصدر جهد مثل خلية أو بطارية.

الشكل 1. يوضح الشكل زجاجة Leyden النموذجية. الصفيحة الداخلية هي إحدى لوحات المكثف والورقة الخارجية هي اللوحة الأخرى. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز. فرع شجرة

التاريخ

يعود الفضل في اختراع زجاجة Leyden إلى Pieter van Musschenbroek ، أستاذ الفيزياء في جامعة Leyden في عام 1745. بشكل مستقل وفي نفس الوقت ، تمكن المخترع الألماني Ewald Georg von Kleist أيضًا من تخزين الكهرباء الساكنة بزجاجات مماثلة ، متوقعًا هولندي.

حصل موشنبروك على مساعدة محامٍ يُدعى كونيوس كان قد دعاه إلى مختبره في ليدن. كانت هذه الشخصية الحكيمة أول من لاحظ أن الشحنة تراكمت عن طريق إمساك القارورة بيده أثناء شحن القضيب أو الإبرة بالآلة الكهروستاتيكية.

بعد أن فاجأ البروفيسور موشنبروك الجميع باختراعه ، تم إجراء التحسين التالي على زجاجة Leyden ، حيث تم تعميد الجهاز أخيرًا ، في عام 1747 بفضل جون بيفيس ، الطبيب والباحث ، وأخيراً وليس آخراً عالم الفلك الذي اكتشف سديم السرطان.

لاحظ بيفيس أنه إذا غطيت الجزء الخارجي من الزجاجة بغطاء رفيع ، فلا داعي للإمساك به بيدك.

كما أدرك أن ملئه بالماء أو الكحول لم يكن ضروريًا (زجاجة Musschenbroek الأصلية كانت مملوءة بالسائل) وأنه كان مطلوبًا فقط تغطية الجدار الداخلي للزجاجة بورق معدني ملامس للقضيب الذي يمر عبر الفلين.

كشفت التجارب اللاحقة أن المزيد من الشحنة تراكمت عندما أصبح الزجاج أرق وسطح المعدن المجاور أكثر اتساعًا.

القطع

أجزاء زجاجة Leyden موضحة في الشكل 1. يعمل الزجاج كعازل أو عازل كهربائي بين الألواح ، بالإضافة إلى أنه يقدم الدعم اللازم لهم. وعادة ما تكون الألواح عبارة عن صفائح رقيقة من القصدير أو الألومنيوم أو النحاس.

يستخدم عازل أيضًا في صنع غطاء البرطمان ، على سبيل المثال الخشب الجاف أو البلاستيك أو الزجاج. الغطاء مثقوب بقضيب معدني تتدلى منه سلسلة تعمل على إجراء اتصال كهربائي باللوحة الداخلية.

المواد اللازمة لصنع زجاجة لايدن

- الزجاجة رقيقة قدر الإمكان

- رقائق معدنية (ألمنيوم ، قصدير ، نحاس ، رصاص ، فضي ، ذهبي) لتغطية الجزء الداخلي والخارجي للزجاجة بشكل منفصل.

- غطاء مادة عازلة محفورة.

- قضيب معدني يمر عبر الغطاء المثقوب وفي النهاية الداخلية به سلسلة أو كابل يجعل الملامسة المعدنية للصفيحة الداخلية للزجاجة. ينتهي الطرف الآخر من القضيب بشكل عام في شكل كرة ، لتجنب الأقواس الكهربائية بسبب الشحنات المتراكمة على الأطراف.

الشكل 2. أجزاء من زجاجة ليدن. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

تسيير

لشرح تراكم الشحنة الكهربائية ، من الضروري البدء بتحديد الفرق بين العوازل والموصلات.

المعادن موصلة لأن الإلكترونات (حاملات الشحنة السالبة الأولية) يمكن أن تتحرك بحرية داخلها. وهذا لا يعني أن المعدن مشحون دائمًا ، بل في الحقيقة يظل محايدًا عندما يساوي عدد الإلكترونات عدد البروتونات.

في المقابل ، تفتقر الإلكترونات الموجودة داخل العوازل إلى الحركة النموذجية للمعادن. ومع ذلك ، من خلال الاحتكاك بين المواد العازلة المختلفة ، يمكن أن يحدث أن تنتقل الإلكترونات من سطح أحدها إلى سطح الآخر.

بالعودة إلى زجاجة Leyden ، في شكل مبسط ، تكون عبارة عن رقاقة معدنية مفصولة بعازل عن رقاقة موصلة أخرى. يوضح الشكل 3 التخطيطي.

الشكل 3: رسم تخطيطي مبسط لزجاجة ليدن وكيف تكتسب الشحنة. المصدر: فاني زاباتا.

لنفترض أن اللوحة الخارجية مؤرضة ، إما عن طريق الإمساك باليد أو بواسطة سلك. عند الاقتراب من قضيب مشحون إيجابياً بالفرك ، يصبح القضيب المتصل باللوحة الداخلية مستقطباً. هذا يؤدي إلى فصل الشحنات في مجموعة اللوح الداخلي للقضيب.

تنجذب الإلكترونات الموجودة على اللوحة الخارجية إلى الشحنات الموجبة على اللوحة المقابلة ويصل المزيد من الإلكترونات إلى اللوحة الخارجية من الأرض.

عندما يتم قطع هذا الاتصال ، تصبح اللوحة سالبة الشحنة وعندما يتم فصل القضيب ، تصبح اللوحة الداخلية مشحونة بشكل إيجابي.

المكثفات أو المكثفات

كانت زجاجة Leyden هي أول مكثف معروف. يتكون المكثف من لوحين معدنيين يفصل بينهما عازل وهما معروفان جيدًا في الكهرباء والإلكترونيات كعناصر دارة لا غنى عنها.

يتكون أبسط مكثف من لوحين مسطحين من المنطقة A مفصولة بمسافة d أصغر بكثير من حجم الألواح.

تتناسب السعة C لتخزين الشحنة في مكثف لوحة مسطحة مع المنطقة A من الألواح ، وتتناسب عكسًا مع التباعد d بين الألواح. ثابت التناسب هو السماحية الكهربائية ε وهي تتلخص في التعبير التالي:

يمكن تقريب المكثف المتكون من زجاجة Leyden بواسطة لوحين أسطوانيين متحد المركز مع نصف قطر أ داخلي ونصف قطر ب للوحة الخارجية والارتفاع L. الفرق في نصف القطر هو بالضبط سماكة الزجاج د وهو الفاصل بين الألواح.

تُعطى السعة C لمكثف لوحة أسطوانية من خلال:

كما يمكن استنتاجه من هذا التعبير ، كلما زاد الطول L ، زادت سعة الجهاز.

سعة زجاجة ليدن

في حالة أن السماكة أو الفصل d أقل بكثير من نصف القطر ، فيمكن تقريب السعة بالتعبير عن الألواح المسطحة على النحو التالي:

في التعبير السابق ، يمثل p محيط اللوح الأسطواني و L هو الارتفاع.

بغض النظر عن الشكل ، فإن الحد الأقصى للشحنة Q التي يمكن أن يتراكمها المكثف يتناسب طرديًا مع جهد الشحن V ، حيث تكون سعة المكثف C هي ثابت التناسب.

س = ج ⋅ ف

زجاجة ليدن محلية الصنع

مع المواد المتاحة بسهولة في المنزل وبعض المهارات اليدوية ، يمكنك محاكاة الأستاذ Musschenbroek وبناء زجاجة Leyden. لهذا تحتاج:

- برطمان زجاجي أو بلاستيكي ، مثل المايونيز.

- 1 غطاء عازل بلاستيك مثقوب يمر من خلاله سلك أو كابل صلب.

- شرائح مستطيلة من ورق الألمنيوم للمطبخ لتغطية أو لصق أو لصق داخل الجرة وخارجها. من المهم ألا يصل طلاء الألمنيوم إلى حافة الجرة ، فقد يكون أعلى بقليل من النصف.

- كبل مرن بدون عازل يتم توصيله بداخل القضيب بحيث يلامس ورق الألمنيوم الذي يغطي جدار الزجاجة من الداخل.

- كرة معدنية (توضع فوق الغطاء لتجنب تأثير المسامير).

- كابل بدون عازل يعلق على لوح الألمنيوم الخارجي.

- مسطرة ومقص.

- شريط لاصق من نوع سكوتش.

ملحوظة: هناك نسخة أخرى تتجنب عمل وضع ورق الألمنيوم بالداخل وهي ملء الزجاجة أو البرطمان بمحلول من الماء والملح ، والذي سيكون بمثابة الصفيحة الداخلية.

معالجة

قم بتغطية الزجاجة من الداخل والخارج بشرائط رقائق الألومنيوم ، إذا لزم الأمر ، يتم تثبيتها بشريط لاصق ، مع الحرص على عدم تجاوز منتصف الزجاجة كثيرًا.

- قم بثقب الغطاء بعناية لتمرير السلك النحاسي أو الكبل بدون غطاء عازل ، لوضع رقائق الألومنيوم الداخلية للزجاجة ملامسة للخارج ، حيث يجب وضع الكرة الموصلة فوق الغطاء مباشرة.

- يتم استخدام المزيد من الأسلاك بدون عزل لربط الغلاف الخارجي وعمل نوع من المقبض. يجب أن تبدو المجموعة بأكملها كما هو موضح في الشكلين 1 و 4.

الشكل 4. زجاجة ليدن. المصدر: F. Zapata.

التجارب

بمجرد صنع زجاجة Leyden ، يمكنك تجربتها:

التجربة 1

إذا كان لديك تلفزيون قديم أو شاشة مزودة بشاشة أشعة الكاثود ، فيمكنك استخدامها لشحن الزجاجة. للقيام بذلك ، أمسك الزجاجة بيد واحدة من اللوحة الخارجية ، مع إحضار الكبل المتصل بالجزء الداخلي قريبًا ولمس الشاشة.

يجب أن يكون الكبل المربوط بالخارج قريبًا من الكابل القادم من داخل الزجاجة. لاحظ حدوث شرارة توضح أن الزجاجة أصبحت مشحونة كهربائيًا.

التجربة 2

إذا لم يكن لديك شاشة مناسبة ، يمكنك تحميل زجاجة Leyden عن طريق وضعها بالقرب من قطعة قماش صوفية قمت بإخراجها للتو من مجفف الملابس. هناك خيار آخر لمصدر الشحن وهو أخذ قطعة من الأنابيب البلاستيكية (PVC) التي سبق صقلها لإزالة الشحوم والورنيش. افرك الأنبوب بمنشفة ورقية حتى يتم شحنه بشكل كافٍ.

المراجع

1. زجاجة ليدن. تم الاسترجاع من: es.wikipedia.org
2. الأدوات الكهربائية. ليدن جار. تم الاسترجاع من: Brittanica.com
3. إنديسا تُعلم. التجربة: زجاجة ليدن. تم الاسترجاع من: youtube.com.
4. ليدن جار. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org.
5. فيزياء جرة ليدن في "MacGyver". تم الاسترجاع من: wired.com
6. Tippens ، P. الفيزياء: المفاهيم والتطبيقات. 516-523.