BOTOL LEYDEN: BAHAGIAN, OPERASI, EKSPERIMEN - FIZIKAL - 2025

The Leyden botol adalah botol kaca nipis atau jar, yang mengandungi foil logam pemasangan ketat di bahagian dalam dan satu lagi ketat filem logam di luar.

Ia adalah alat elektrik pertama dalam sejarah yang digunakan untuk menyimpan cas elektrik hanya dengan menyentuhnya, sama ada oleh batang atau lembaran luar, dengan bar yang sebelumnya dikenakan oleh geseran (kesan triboelektrik) atau oleh aruhan elektrostatik. Sumber voltan seperti sel atau bateri juga boleh digunakan.

Gambar 1. Rajah menunjukkan sebotol Leyden khas. Kerajang dalaman adalah salah satu plat kondensor dan kerajang luar adalah plat lain. Sumber: Wikimedia Commons. Cawangan

Sejarah

Penemuan botol Leyden dikreditkan kepada Pieter van Musschenbroek, Profesor Fizik di University of Leyden pada tahun 1745. Secara bebas dan serentak, penemu Jerman Ewald Georg von Kleist juga berjaya menyimpan elektrik statik dengan botol yang serupa, menjangkakan Belanda.

Musschenbroek mendapat bantuan seorang peguam bernama Cunaeus, yang telah dijemputnya ke makmalnya di Leyden. Watak cerdik ini adalah orang pertama yang menyedari bahawa muatan terkumpul dengan memegang botol dengan tangannya semasa batang atau jarum dimuat dengan mesin elektrostatik.

Setelah Profesor Musschenbroek mengejutkan semua orang dengan penemuannya, peningkatan seterusnya pada botol Leyden, kerana alat itu akhirnya dibaptiskan, dibuat pada tahun 1747 terima kasih kepada John Bevis, seorang doktor, penyelidik, dan ahli astronomi terakhir yang menemui Nebula Ketam.

Bevis memerhatikan bahawa jika anda menutup bahagian luar botol dengan kepingan nipis, tidak perlu memegangnya dengan tangan anda.

Dia juga menyedari bahawa pengisiannya dengan air atau alkohol tidak diperlukan (botol Musschenbroek yang asli diisi dengan cecair) dan hanya diperlukan untuk menutup dinding bahagian dalam botol dengan kerajang logam yang bersentuhan dengan batang yang melewati gabus.

Percubaan kemudian menunjukkan bahawa lebih banyak cas terkumpul ketika kaca menjadi lebih nipis dan permukaan logam yang bersebelahan lebih luas.

Bahagian

Bahagian-bahagian botol Leyden ditunjukkan pada gambar 1. Kaca berfungsi sebagai penebat atau dielektrik di antara pinggan, selain berfungsi untuk memberi mereka sokongan yang diperlukan. Plat biasanya kepingan timah, aluminium atau tembaga yang nipis.

Penebat juga digunakan untuk membuat penutup balang, misalnya kayu kering, plastik atau kaca. Penutupnya ditembusi oleh batang logam dari mana rantai digantung yang berfungsi untuk membuat hubungan elektrik dengan plat dalaman.

Bahan yang diperlukan untuk membuat Botol Leyden

- Botol kaca, setipis mungkin

- Kerajang logam (aluminium, timah, tembaga, plumbum, perak, emas) untuk menutup secara terpisah, bahagian dalaman dan luaran botol.

- Penutup bahan penebat yang digerudi.

- Batang logam untuk melalui penutup berlubang dan pada hujung dalamannya mempunyai rantai atau kabel yang membuat sentuhan logam dengan kepingan dalaman botol. Hujung batang yang lain umumnya berakhir pada sfera, untuk mengelakkan lengkungan elektrik kerana terkumpulnya cas pada hujungnya.

Rajah 2. Bahagian sebotol Leyden. Sumber: Wikimedia Commons.

Berfungsi

Untuk menjelaskan pengumpulan cas elektrik, perlu dimulakan dengan menetapkan perbezaan antara penebat dan konduktor.

Logam bersifat konduktif kerana elektron (pembawa muatan negatif unsur) dapat bergerak bebas di dalamnya. Yang tidak bermaksud bahawa logam selalu dicas, sebenarnya ia tetap neutral apabila bilangan elektron sama dengan bilangan proton.

Sebaliknya, elektron di dalam penebat kekurangan mobiliti logam yang tipikal. Walau bagaimanapun, dengan menggosok antara bahan penebat yang berlainan, elektron dari permukaan salah satu daripadanya boleh sampai ke permukaan yang lain.

Kembali ke botol Leyden, dalam bentuk ringkas, ia adalah kerajang logam yang dipisahkan oleh penebat dari kerajang konduktif yang lain. Rajah 3 menunjukkan skema.

Gambar 3: Gambarajah ringkas botol Leyden dan bagaimana ia memperoleh caj. Sumber: Fanny Zapata.

Katakan plat luaran dibumikan, sama ada dengan memegang tangan atau dengan wayar. Apabila didekati oleh batang yang bermuatan positif dengan menggosok, batang yang menghubungkan ke plat dalam menjadi terpolarisasi. Ini membawa kepada pemisahan caj pada pemasangan plat dalaman-batang.

Elektron pada plat luar tertarik dengan cas positif pada plat bertentangan dan lebih banyak elektron mencapai plat luar dari tanah.

Apabila sambungan ini terputus, pelat menjadi bermuatan negatif dan apabila rod dipisahkan, plat dalaman akan dicas positif.

Kapasitor atau kapasitor

Botol Leyden adalah kapasitor pertama yang diketahui. Kapasitor terdiri daripada dua plat logam yang dipisahkan oleh penebat dan ia terkenal dalam elektrik dan elektronik sebagai elemen litar yang sangat diperlukan.

Kapasitor termudah terdiri daripada dua plat rata kawasan A yang dipisahkan oleh jarak d jauh lebih kecil daripada ukuran plat.

Kapasiti C untuk menyimpan muatan dalam kapasitor plat rata berkadar dengan kawasan A plat, dan berkadar sebaliknya dengan jarak d antara plat. Pemalar berkadar adalah permitiviti elektrik ε dan mereka diringkaskan dalam ungkapan berikut:

Kapasitor yang dibentuk oleh botol Leyden dapat dihampiri oleh dua plat silinder sepusat dengan jejari dalaman dan jejari b untuk plat luaran dan tinggi L. Perbezaan jejari adalah ketebalan kaca d yang merupakan pemisahan antara plat.

Kapasiti C kapasitor plat silinder diberikan oleh:

Seperti yang dapat disimpulkan dari ungkapan ini, semakin panjang L, semakin banyak kapasiti peranti tersebut.

Kapasiti botol Leyden

Sekiranya ketebalan atau pemisahan d jauh lebih kecil daripada jari-jari, maka kapasitasnya dapat didekati dengan ekspresi pelat rata seperti berikut:

Dalam ungkapan sebelumnya p adalah perimeter plat silinder dan L adalah tinggi.

Terlepas dari bentuknya, muatan maksimum Q yang dapat dikumpulkan oleh kapasitor adalah sebanding dengan voltan pengisian V, dengan kapasiti C kapasitor menjadi pemalar berkadar.

Q = C ⋅ V

Sebotol Leyden buatan sendiri

Dengan bahan yang ada di rumah dan beberapa kemahiran manual, anda boleh mencontohi Profesor Musschenbroek dan membina sebotol Leyden. Untuk ini, anda memerlukan:

- 1 balang kaca atau plastik, seperti mayonis.

- 1 penutup penebat plastik berlubang di mana wayar atau kabel yang tegar akan dilalui.

- Jalur persegi panjang kerajang aluminium dapur untuk menutup, melekat atau melekat di dalam dan di luar balang. Adalah penting bahawa lapisan aluminium tidak sampai ke tepi balang, ia boleh menjadi sedikit lebih tinggi daripada separuh.

- Kabel fleksibel tanpa penebat yang disambungkan ke bahagian dalam rod, sehingga bersentuhan dengan kerajang aluminium yang menutup bahagian dalam dinding botol.

- Sfera logam (naik di atas penutup untuk mengelakkan kesan lonjakan).

- Kabel tanpa penebat yang akan dipasang pada kepingan aluminium luar.

- Pembaris dan gunting.

- Pita Scotch.

Catatan: Versi lain yang mengelakkan kerja meletakkan kerajang aluminium di bahagian dalam adalah mengisi botol atau balang dengan larutan air dan garam, yang akan berfungsi sebagai plat dalam.

Proses

Tutup botol di dalam dan di luar dengan jalur kerajang aluminium, jika perlu ia dilekatkan dengan pita pelekat, berhati-hati agar tidak melebihi bahagian tengah botol terlalu banyak.

- Pasang penutup dengan hati-hati untuk melewati wayar tembaga atau kabel tanpa penutup penebat, untuk meletakkan kerajang aluminium dalam botol bersentuhan dengan bahagian luar, di mana sfera konduktif harus diletakkan tepat di atas penutup.

- Lebih banyak wayar tanpa penebat digunakan untuk mengikat jaket luar dan membuat sejenis pemegang. Keseluruhan pemasangan harus seperti apa yang ditunjukkan pada gambar 1 dan 4.

Gambar 4. Botol Leyden. Sumber: F. Zapata.

Percubaan

Setelah botol Leyden dibina, anda boleh bereksperimen dengannya:

Eksperimen 1

Sekiranya anda mempunyai TV atau monitor lama dengan skrin sinar katod, anda boleh menggunakannya untuk mengisi botol. Untuk melakukan ini, pegang botol dengan satu tangan di piring luar, sambil membawa kabel yang menghubungkan ke bahagian dalam dekat dan menyentuh skrin.

Kabel yang diikat ke luar harus dekat dengan kabel yang keluar dari bahagian dalam botol. Perhatikan bahawa percikan berlaku, menunjukkan bahawa botol telah terisi elektrik.

Eksperimen 2

Sekiranya anda tidak mempunyai skrin yang sesuai, anda boleh memuatkan botol Leyden dengan meletakkannya di dekat kain wol yang baru anda ambil dari pengering pakaian. Pilihan lain untuk sumber pengecasan adalah mengambil sekeping tiub plastik (PVC) yang sebelumnya telah diampelas untuk menghilangkan minyak dan pernis. Gosokkan tiub dengan tuala kertas sehingga diisi dengan secukupnya.

Rujukan

1. Botol Leyden. Dipulihkan dari: es.wikipedia.org
2. Alat elektrik. Leyden Jar. Dipulihkan dari: Brittanica.com
3. Endesa mendidik. Eksperimen: Botol Leyden. Dipulihkan dari: youtube.com.
4. Leyden Jar. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org.
5. Fizik balang Leyden dalam "MacGyver". Dipulihkan dari: wired.com
6. Tippens, P. Fizik: Konsep dan Aplikasi. 516-523.