ขวด LEYDEN: ชิ้นส่วนการทำงานการทดลอง - กายภาพ - 2025

ขวดเลย์เดนเป็นขวดแก้วบางหรือขวดซึ่งมีฟอยล์โลหะแน่นกระชับในภายในและฟิล์มโลหะอื่นแน่นกระชับด้านนอก

เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าเครื่องแรกในประวัติศาสตร์ที่ทำหน้าที่เก็บประจุไฟฟ้าเพียงแค่สัมผัสโดยแท่งหรือแผ่นด้านนอกโดยแท่งที่ชาร์จก่อนหน้านี้จากแรงเสียดทาน (ผลกระทบจากไตรโบอิเล็กทริก) หรือโดยการเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิต สามารถใช้แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าเช่นเซลล์หรือแบตเตอรี่ได้

รูปที่ 1. รูปแสดงขวด Leyden ทั่วไป แผ่นด้านในเป็นแผ่นตัวเก็บประจุแผ่นหนึ่งและแผ่นด้านนอกเป็นแผ่นอื่น ๆ ที่มา: Wikimedia Commons สาขา

ประวัติศาสตร์

การประดิษฐ์ขวด Leyden มอบให้กับ Pieter van Musschenbroek ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัย Leyden ในปี 1745 Ewald Georg von Kleist นักประดิษฐ์ชาวเยอรมันได้จัดการเก็บไฟฟ้าสถิตด้วยขวดที่คล้ายกันโดยอิสระและในเวลาเดียวกัน ดัตช์

Musschenbroek ได้รับความช่วยเหลือจากทนายความชื่อ Cunaeus ซึ่งเขาได้เชิญไปที่ห้องปฏิบัติการของเขาใน Leyden อักขระที่มีไหวพริบนี้เป็นคนแรกที่สังเกตเห็นว่ามีประจุสะสมโดยถือขวดด้วยมือของเขาในขณะที่แท่งหรือเข็มถูกชาร์จด้วยเครื่องไฟฟ้าสถิต

หลังจากที่ศาสตราจารย์ Musschenbroek ทำให้ทุกคนประหลาดใจกับสิ่งประดิษฐ์ของเขาการปรับปรุงครั้งต่อไปของขวด Leyden เมื่ออุปกรณ์ได้รับการตั้งชื่อในที่สุดก็ถูกสร้างขึ้นในปี 1747 ขอบคุณ John Bevis แพทย์นักวิจัยและสุดท้าย แต่ไม่ท้ายสุดนักดาราศาสตร์ที่ค้นพบ เนบิวลาปู

สังเกตว่าถ้าคุณใช้แผ่นบาง ๆ ปิดด้านนอกของขวดไม่จำเป็นต้องถือขวดด้วยมือ

นอกจากนี้เขายังตระหนักว่าไม่จำเป็นต้องเติมน้ำหรือแอลกอฮอล์ (ขวด Musschenbroek ดั้งเดิมเต็มไปด้วยของเหลว) และจำเป็นต้องปิดฝาผนังด้านในของขวดด้วยฟอยล์โลหะที่สัมผัสกับแท่งที่ผ่านจุก

การทดลองในภายหลังพบว่ามีประจุสะสมมากขึ้นเมื่อกระจกบางลงและผิวโลหะที่อยู่ติดกันกว้างขึ้น

อะไหล่

ชิ้นส่วนของขวด Leyden แสดงในรูปที่ 1 แก้วทำหน้าที่เป็นฉนวนหรืออิเล็กทริกระหว่างจานนอกเหนือจากการทำหน้าที่ให้การสนับสนุนที่จำเป็น แผ่นมักเป็นแผ่นดีบุกอลูมิเนียมหรือทองแดงบาง ๆ

ฉนวนยังใช้ในการทำฝาขวดเช่นไม้แห้งพลาสติกหรือแก้ว ฝาครอบถูกเจาะด้วยแท่งโลหะที่โซ่แขวนไว้ซึ่งทำหน้าที่สัมผัสทางไฟฟ้ากับแผ่นด้านใน

วัสดุที่จำเป็นในการทำขวดเลย์เดน

- ขวดแก้วบางที่สุด

- ฟอยล์โลหะ (อลูมิเนียมดีบุกทองแดงตะกั่วเงินทอง) เพื่อปิดฝาแยกส่วนภายในและภายนอกของขวด

- เจาะฝาปิดวัสดุฉนวน

- แท่งโลหะจะผ่านฝาเจาะรูและที่ปลายด้านในมีโซ่หรือสายเคเบิลที่ทำให้โลหะสัมผัสกับแผ่นด้านในของขวด ปลายอีกด้านหนึ่งของแท่งมักจะสิ้นสุดเป็นทรงกลมเพื่อหลีกเลี่ยงส่วนโค้งไฟฟ้าเนื่องจากมีประจุสะสมที่ปลาย

รูปที่ 2. ชิ้นส่วนของขวด Leyden ที่มา: Wikimedia Commons

ทำงาน

เพื่ออธิบายการสะสมของประจุไฟฟ้าจำเป็นต้องเริ่มต้นด้วยการสร้างความแตกต่างระหว่างฉนวนและตัวนำ

โลหะเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าได้เนื่องจากอิเล็กตรอน (พาหะของประจุลบของธาตุ) สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระภายในพวกมัน ซึ่งไม่ได้หมายความว่าโลหะจะมีประจุไฟฟ้าอยู่เสมอ แต่ในความเป็นจริงมันยังคงเป็นกลางเมื่อจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากับจำนวนโปรตอน

ในทางตรงกันข้ามอิเล็กตรอนภายในฉนวนจะขาดความคล่องตัวตามแบบฉบับของโลหะ อย่างไรก็ตามการถูระหว่างวัสดุฉนวนที่แตกต่างกันอาจเกิดขึ้นได้ว่าอิเล็กตรอนจากพื้นผิวของหนึ่งในนั้นผ่านไปยังพื้นผิวของอีกชนิดหนึ่ง

กลับไปที่ขวด Leyden ในรูปแบบที่เรียบง่ายมันคือฟอยล์โลหะคั่นด้วยฉนวนจากฟอยล์ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าอื่น รูปที่ 3 แสดงแผนผัง

รูปที่ 3: แผนภาพอย่างง่ายของขวด Leyden และวิธีรับประจุ ที่มา: Fanny Zapata

สมมติว่าแผ่นภายนอกมีการต่อสายดินไม่ว่าจะด้วยมือหรือด้วยลวด เมื่อเข้าใกล้แท่งที่มีประจุบวกจากการถูก้านที่เชื่อมต่อกับแผ่นด้านในจะกลายเป็นโพลาไรซ์ สิ่งนี้นำไปสู่การแยกประจุในการประกอบแผ่นแกนด้านใน

อิเล็กตรอนบนแผ่นเปลือกนอกจะดึงดูดประจุบวกบนจานด้านตรงข้ามและมีอิเล็กตรอนจำนวนมากขึ้นถึงจานด้านนอกจากพื้นดิน

เมื่อการเชื่อมต่อนี้ขาดเพลตจะกลายเป็นประจุลบและเมื่อก้านแยกออกจากกันแผ่นด้านในจะกลายเป็นประจุบวก

ตัวเก็บประจุหรือตัวเก็บประจุ

ขวด Leyden เป็นตัวเก็บประจุตัวแรกที่รู้จัก ตัวเก็บประจุประกอบด้วยแผ่นโลหะสองแผ่นคั่นด้วยฉนวนและเป็นที่รู้จักกันดีในด้านไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ว่าเป็นองค์ประกอบของวงจรที่ขาดไม่ได้

ตัวเก็บประจุที่ง่ายที่สุดประกอบด้วยพื้นที่แบนสองแผ่น A คั่นด้วยระยะทาง d เล็กกว่าขนาดของเพลตมาก

ความจุ C ในการเก็บประจุในตัวเก็บประจุแบบแผ่นเรียบเป็นสัดส่วนกับพื้นที่ A ของเพลตและแปรผกผันกับระยะห่าง d ระหว่างเพลต ค่าคงที่ของความเป็นสัดส่วนคือการอนุญาตไฟฟ้าεและสรุปไว้ในนิพจน์ต่อไปนี้:

ตัวเก็บประจุที่เกิดจากขวด Leyden สามารถประมาณได้โดยแผ่นทรงกระบอกศูนย์กลางสองแผ่นที่มีรัศมี a ภายในและรัศมี b สำหรับแผ่นภายนอกและความสูง L. ความแตกต่างของรัศมีคือความหนาของแก้ว d ซึ่งเป็นตัวคั่นระหว่างจาน

ความจุ C ของตัวเก็บประจุแบบแผ่นทรงกระบอกกำหนดโดย:

ดังที่สามารถอนุมานได้จากนิพจน์นี้ยิ่ง L ยาวเท่าไหร่อุปกรณ์ก็ยิ่งมีความจุมากขึ้นเท่านั้น

ความจุขวด Leyden

ในกรณีที่ความหนาหรือการแยก d น้อยกว่ารัศมีมากความสามารถจะประมาณได้โดยนิพจน์ของแผ่นเรียบดังนี้:

ในนิพจน์ก่อนหน้า p คือเส้นรอบวงของแผ่นทรงกระบอกและ L คือความสูง

ไม่ว่ารูปร่างจะเป็นอย่างไรประจุสูงสุด Q ที่ตัวเก็บประจุสามารถสะสมจะเป็นสัดส่วนกับแรงดันประจุ V ความจุของตัวเก็บประจุ C เป็นค่าคงที่ของสัดส่วน

Q = C ⋅ V

เลย์เดนโฮมเมด 1 ขวด

ด้วยวัสดุที่หาได้ง่ายที่บ้านและทักษะการใช้งานเองคุณสามารถเลียนแบบศาสตราจารย์ Musschenbroek และสร้างขวด Leyden ได้ สำหรับสิ่งนี้คุณต้องการ:

- ขวดแก้วหรือพลาสติก 1 ใบเช่นมายองเนส

- ฝาปิดฉนวนพลาสติกเจาะรู 1 อันซึ่งจะส่งผ่านสายไฟหรือสายเคเบิลที่แข็ง

- แถบอลูมิเนียมฟอยล์ในครัวเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าเพื่อปิดติดหรือยึดติดกับด้านในและด้านนอกของโถ สิ่งสำคัญคือการเคลือบอลูมิเนียมไม่ถึงขอบของโถอาจสูงกว่าครึ่งหนึ่งเล็กน้อย

- สายเคเบิลแบบยืดหยุ่นที่ไม่มีฉนวนที่ต่ออยู่ด้านในของแท่งเพื่อให้สัมผัสกับอลูมิเนียมฟอยล์ที่ปิดด้านในของผนังขวด

- ทรงกลมโลหะ (อยู่ด้านบนของฝาเพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบของเหล็กแหลม)

- สายเคเบิลที่ไม่มีฉนวนที่จะยึดกับแผ่นอลูมิเนียมด้านนอก

- ไม้บรรทัดและกรรไกร

- สก๊อตเทป

หมายเหตุ: อีกรุ่นหนึ่งที่หลีกเลี่ยงการวางอลูมิเนียมฟอยล์ไว้ด้านในคือการเติมน้ำและเกลือลงในขวดหรือโถซึ่งจะทำหน้าที่เป็นแผ่นด้านใน

กระบวนการ

ปิดฝาขวดทั้งด้านในและด้านนอกด้วยแถบอลูมิเนียมฟอยล์หากจำเป็นให้ยึดด้วยเทปกาวระวังอย่าให้เกินตรงกลางขวดมากเกินไป

- เจาะฝาอย่างระมัดระวังเพื่อผ่านลวดทองแดงหรือสายเคเบิลโดยไม่ต้องมีฝาปิดฉนวนเพื่อให้อลูมิเนียมฟอยล์ด้านในของขวดสัมผัสกับด้านนอกโดยที่ทรงกลมที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าควรอยู่เหนือฝาปิด

- ใช้ลวดเพิ่มเติมที่ไม่มีฉนวนกันความร้อนในการผูกเสื้อนอกและทำเป็นที่จับ ชุดประกอบทั้งหมดควรมีลักษณะเหมือนที่แสดงในรูปที่ 1 และ 4

รูปที่ 4. ขวด Leyden ที่มา: F. Zapata

การทดลอง

เมื่อสร้างขวด Leyden แล้วคุณสามารถทดลองได้:

การทดลอง 1

หากคุณมีทีวีหรือจอภาพรุ่นเก่าที่มีหน้าจอรังสีแคโทดคุณสามารถใช้เพื่อชาร์จขวดได้ ในการทำเช่นนี้ให้จับขวดด้วยมือข้างหนึ่งข้างแผ่นด้านนอกในขณะที่นำสายเคเบิลที่เชื่อมต่อกับส่วนด้านในเข้ามาใกล้แล้วแตะที่หน้าจอ

สายเคเบิลที่ผูกกับด้านนอกควรอยู่ใกล้กับสายเคเบิลที่มาจากด้านในของขวด สังเกตว่ามีประกายไฟเกิดขึ้นแสดงว่าขวดมีประจุไฟฟ้า

การทดลองที่ 2

หากคุณไม่มีหน้าจอที่เหมาะสมคุณสามารถบรรจุขวด Leyden ได้โดยถือไว้ใกล้กับผ้าขนสัตว์ที่คุณเพิ่งนำออกจากเครื่องอบผ้า อีกทางเลือกหนึ่งสำหรับแหล่งชาร์จคือนำท่อพลาสติก (PVC) ที่ขัดแล้วก่อนหน้านี้เพื่อขจัดคราบไขมันและสารเคลือบเงา ถูหลอดด้วยกระดาษเช็ดมือจนกว่าจะมีประจุไฟเพียงพอ

อ้างอิง

1. ขวด Leyden สืบค้นจาก: es.wikipedia.org
2. เครื่องมือไฟฟ้า ขวด Leyden สืบค้นจาก: Brittanica.com
3. Endesa ให้ความรู้ การทดลอง: ขวด Leyden ดึงมาจาก: youtube.com.
4. ขวด Leyden สืบค้นจาก: en.wikipedia.org.
5. ฟิสิกส์ของขวด Leyden ใน "MacGyver" ดึงมาจาก: Wired.com
6. Tippens, P. Physics: แนวคิดและการประยุกต์. 516-523