- Geschiedenis
- Onderdelen
- Materialen die nodig zijn om de Leyden Bottle te maken
- Functioneren
- Condensatoren of condensatoren
- Leidse fles capaciteit
- Fles zelfgemaakt Leiden
- Werkwijze
- Experimenten
- Experiment 1
- Experiment 2
- Referenties
De Leidse fles is een dunne glazen fles of pot, die aan de binnenkant een strak sluitend metaalfolie bevat en aan de buitenkant nog een strak sluitend metaalfolie.
Het is het eerste elektrische apparaat in de geschiedenis dat diende om elektrische ladingen op te slaan door het simpelweg aan te raken, hetzij door de staaf of door de buitenlaag, met een staaf die eerder was opgeladen door wrijving (tribo-elektrisch effect) of door elektrostatische inductie. Een spanningsbron zoals een cel of batterij kan ook worden gebruikt.
Figuur 1. De figuur toont een typische Leidse fles. Het binnenblad is een van de condensatorplaten en het buitenblad is de andere plaat. Bron: Wikimedia Commons. Afdeling
Geschiedenis
De uitvinding van de Leidse fles wordt toegeschreven aan Pieter van Musschenbroek, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Leiden in 1745. Zelfstandig en gelijktijdig slaagde de Duitse uitvinder Ewald Georg von Kleist er ook in om statische elektriciteit op te slaan met soortgelijke flessen, vooruitlopend op de Nederlands.
Musschenbroek had de hulp van een advocaat genaamd Cunaeus, die hij had uitgenodigd in zijn laboratorium in Leiden. Dit scherpzinnige karakter was de eerste die opmerkte dat de lading zich ophoopte door het flesje met zijn hand vast te houden terwijl de staaf of naald werd opgeladen met de elektrostatische machine.
Nadat professor Musschenbroek iedereen had verrast met zijn uitvinding, werd de volgende verbetering van de Leidse fles, aangezien het apparaat uiteindelijk werd gedoopt, in 1747 gemaakt dankzij John Bevis, een arts, onderzoeker en last but not least de astronoom die ontdekte de Krabnevel.
Bevis merkte op dat als je de buitenkant van de fles met een dun laken bedekte, het niet nodig was om die met je hand vast te houden.
Hij realiseerde zich ook dat het vullen met water of alcohol niet nodig was (de originele Musschenbroekfles was gevuld met vloeistof) en dat het alleen nodig was om de binnenwand van de fles te bedekken met metaalfolie in contact met de staaf die door de kurk gaat.
Latere experimenten lieten zien dat meer lading zich ophoopte naarmate het glas dunner werd en het aangrenzende metalen oppervlak uitgebreider.
Onderdelen
De onderdelen van een Leidse fles zijn weergegeven in figuur 1. Het glas fungeert als een isolator of diëlektricum tussen de platen en dient daarnaast om ze de nodige ondersteuning te geven. De platen zijn meestal dunne platen van blik, aluminium of koper.
Een isolator wordt ook gebruikt om het deksel van de pot te maken van bijvoorbeeld droog hout, plastic of glas. Het deksel is doorboord door een metalen staaf waaraan een ketting hangt die dient om elektrisch contact te maken met de interne plaat.
Materialen die nodig zijn om de Leyden Bottle te maken
- Glazen fles, zo dun mogelijk
- Metaalfolie (aluminium, tin, koper, lood, zilver, goud) om het interne en externe deel van de fles afzonderlijk te bedekken.
- Geboorde afdekking van isolatiemateriaal.
- Metalen staaf om door het geperforeerde deksel te gaan en dat aan de binnenkant een ketting of kabel heeft die metallisch contact maakt met de binnenlaag van de fles. Het andere uiteinde van de staaf eindigt in het algemeen in een bol, om elektrische bogen te vermijden als gevolg van geaccumuleerde ladingen op de uiteinden.
Figuur 2. Delen van een Leidse fles. Bron: Wikimedia Commons.
Functioneren
Om de accumulatie van elektrische lading te verklaren, is het noodzakelijk om te beginnen met het vaststellen van het verschil tussen isolatoren en geleiders.
Metalen zijn geleidend omdat elektronen (dragers van elementaire negatieve lading) er vrij in kunnen bewegen. Wat niet wil zeggen dat het metaal altijd geladen is, het blijft zelfs neutraal als het aantal elektronen gelijk is aan het aantal protonen.
Daarentegen missen elektronen in isolatoren de typische mobiliteit van metalen. Door tussen verschillende isolatiematerialen te wrijven kan het echter gebeuren dat elektronen van het oppervlak van een van hen naar het oppervlak van de andere gaan.
Terugkomend op de Leidse fles, in vereenvoudigde vorm is het een metalen folie die door een isolator is gescheiden van een andere geleidende folie. Figuur 3 toont een schema.
Figuur 3: Vereenvoudigd diagram van de Leidse fles en hoe deze de lading verwerft. Bron: Fanny Zapata.
Stel dat de externe plaat is geaard, hetzij met de hand, hetzij met een draad. Wanneer benaderd door een staaf die positief werd geladen door wrijving, wordt de staaf die met de binnenplaat is verbonden gepolariseerd. Dit leidt tot een scheiding van ladingen in het staaf-binnenplaat-samenstel.
De elektronen op de buitenste plaat worden aangetrokken door de positieve ladingen op de tegenoverliggende plaat en meer elektronen bereiken de buitenste plaat vanaf de grond.
Wanneer deze verbinding wordt verbroken, wordt de plaat negatief geladen en wanneer de staaf wordt gescheiden, wordt de binnenplaat positief geladen.
Condensatoren of condensatoren
De Leidse fles was de eerste bekende condensator. Een condensator bestaat uit twee metalen platen gescheiden door een isolator en ze staan in de elektriciteit en elektronica bekend als onmisbare schakelelementen.
De eenvoudigste condensator bestaat uit twee vlakke platen van gebied A gescheiden door een afstand d die veel kleiner is dan de grootte van de platen.
De capaciteit C om lading op te slaan in een vlakke plaatcondensator is evenredig met het oppervlak A van de platen en omgekeerd evenredig met de afstand d tussen de platen. De evenredigheidsconstante is de elektrische permittiviteit ε en ze worden samengevat in de volgende uitdrukking:
De condensator gevormd door de Leidse fles kan worden benaderd door twee concentrische cilindrische platen met stralen a inwendig en straal b voor de uitwendige plaat en hoogte L. Het verschil in de stralen is precies de dikte van het glas d, de scheiding tussen de platen.
De capaciteit C van een cilindrische plaatcondensator wordt gegeven door:
Zoals uit deze uitdrukking kan worden afgeleid, hoe langer de lengte L, hoe meer capaciteit het apparaat heeft.
Leidse fles capaciteit
In het geval dat de dikte of scheiding d veel kleiner is dan de straal, dan kan de capaciteit worden benaderd door de uitdrukking van de vlakke platen als volgt:
In de vorige uitdrukking is p de omtrek van de cilindrische plaat en is L de hoogte.
Ongeacht de vorm is de maximale lading Q die een condensator kan accumuleren evenredig met de laadspanning V, waarbij de capaciteit C van de condensator de evenredigheidsconstante is.
Q = C ⋅ V
Fles zelfgemaakt Leiden
Met direct beschikbare materialen thuis en wat handwerk kun je professor Musschenbroek nabootsen en een Leidse fles bouwen. Hiervoor heb je nodig:
- 1 glazen of plastic pot, bijvoorbeeld mayonaise.
- 1 geperforeerde kunststof isolatiekap waar een stijve draad of kabel doorheen wordt geleid.
- Rechthoekige stroken keukenaluminiumfolie om de binnen- en buitenkant van de pot te bedekken, te plakken of vast te houden. Het is belangrijk dat de aluminium coating niet tot aan de rand van de pot komt, deze mag iets hoger zijn dan de helft.
- Een flexibele kabel zonder isolatie die aan de binnenkant van de staaf is gesplitst, zodat deze contact maakt met de aluminiumfolie die de binnenkant van de wand van de fles bedekt.
- Metalen bol (gaat bovenop het deksel om het effect van spikes te voorkomen).
- Kabel zonder isolatie die aan de buitenste aluminiumplaat wordt bevestigd.
- Liniaal en schaar.
- Plakband.
Opmerking: een andere versie die het werk van het plaatsen van aluminiumfolie aan de binnenkant vermijdt, is door de fles of pot te vullen met een oplossing van water en zout, die als binnenplaat zal dienen.
Werkwijze
Bedek de fles van binnen en van buiten met de aluminiumfoliestroken, indien nodig worden ze met plakband vastgezet, waarbij u erop let dat u het midden van de fles niet te veel overschrijdt.
- Prik voorzichtig in de dop om de koperdraad of kabel te passeren zonder isolerende afdekking, om de aluminiumfolie aan de binnenkant van de fles in contact te brengen met de buitenkant, waar de geleidende bol net boven de dop moet worden geplaatst.
- Er wordt meer draad zonder isolatie gebruikt om de buitenmantel te binden en een soort handvat te maken. Het hele samenstel moet eruitzien zoals getoond in figuren 1 en 4.
Figuur 4. Leidse fles. Bron: F. Zapata.
Experimenten
Als de Leidse fles eenmaal is gebouwd, kun je ermee experimenteren:
Experiment 1
Als je een oude tv of monitor met een kathodestraalscherm hebt, kun je deze gebruiken om de fles op te laden. Om dit te doen, houdt u de fles met één hand vast bij de buitenste plaat, terwijl u de kabel die met het binnenste deel verbindt, dichterbij brengt en het scherm aanraakt.
De kabel die aan de buitenkant is vastgemaakt, moet zich dicht bij de kabel bevinden die van de binnenkant van de fles komt. Merk op dat er een vonk ontstaat die aangeeft dat de fles elektrisch geladen is.
Experiment 2
Als u geen geschikt scherm heeft, kunt u de Leidse fles laden door deze dicht bij een wollen doek te houden die u net uit de wasdroger heeft gehaald. Een andere optie voor de oplaadbron is om een stuk plastic (PVC) buis te nemen dat eerder is geschuurd om vet en lak te verwijderen. Wrijf met keukenpapier over de buis totdat deze voldoende is opgeladen.
Referenties
- Leidse fles. Hersteld van: es.wikipedia.org
- Elektrische instrumenten. Leidse fles. Hersteld van: Brittanica.com
- Endesa geeft onderwijs. Experiment: Leidse fles. Hersteld van: youtube.com.
- Leidse fles. Hersteld van: en.wikipedia.org.
- De fysica van de Leidse pot in "MacGyver". Hersteld van: wired.com
- Tippens, P. Physics: concepten en toepassingen. 516-523.