MacGyverin viimeisimmässä jaksossa Angus (niin hänen TODELLA läheiset ystävänsä kutsuvat häntä) rakentaa Leydenin purkin hyvin yksinkertaisista osista. Tässä on tietysti mahtavaa fysiikkaa, joten käyn tämän tietenkin läpi. Täydellinen paljastus – olen tällä hetkellä MacGyver-sarjan tekninen konsultti.

Mikä on Leydenin purkki?

Kauan sitten ihmiset alkoivat juuri selvittää koko sähköä – erityisesti sähköstaattista tutkimusta. Leydenin purkkia käytettiin alunperin sähkövarauksen varastointiin sen jälkeen, kun jokin hankautunut esine oli ladattu (kuten sukat kuivausrummussa). Leydenin purkista oli kaksi yleistä variaatiota, haluan havainnollistaa molemmat.

Katso lisää

Versiossa 1 lasikupin ympärillä on kaksi metallipalaa. Toinen metallipala istuu kupin sisällä ja toinen on ulkopuolella. Versiossa 2 sisällä oleva metalli on kuitenkin korvattu vedellä. Kyllä, metallin voi korvata vedellä, kunhan vesi on sähköä johtava. Suurin osa vedestä johtaa sähköä, mutta voisit lisätä hieman suolaa varmuuden vuoksi.

Mutta miten se toimii? Oikeasti Leydenin purkki on vain kondensaattori – siinä kaikki. Yksinkertaisin kondensaattori sisältää kaksi rinnakkaista metallilevyä, joiden välissä ei ole mitään. Jos lisäät varausta levyjen toiselle puolelle, tämä vetää vastakkaisen varauksen toiselle levylle (olettaen, että varauksella on reitti päästä sinne). Tältä se näyttäisi.

Tässä esimerkissä toisella levyllä on varaus +Q (ja toisella levyllä -Q), jonka sähköinen potentiaaliero on ΔV. Varauksen (vain toisella levyllä) ja potentiaalieron suhde määritellään kapasitanssiksi siten, että. Kapasitanssin yksikkö on Farad.

Mutta käy ilmi, että kapasitanssin arvo riippuu vain laitteen fyysisestä kokoonpanosta. Tässä tapauksessa se tarkoittaa levyjen kokoa, niiden välimatkaa ja niiden välissä olevaa materiaalia. Rinnakkaislevykondensaattorille (kuten yllä) kapasitanssi voidaan laskea seuraavasti:

Kondensaattorin pinta-ala on A ja d on levyjen välinen etäisyys. Muuttujaa ε (epsilon) kutsutaan permittiivisyydeksi, ja se riippuu levyjen väliin jäävän materiaalin tyypistä.

Vaikka Leydenin purkki on eri kokoonpanossa, se toimii periaatteessa samalla tavalla. Ulkopuolinen metalli voidaan maadoittaa yksinkertaisesti pitämällä siitä kiinni kädellä tai vetämällä johto metalliseen vesiputkeen. Kun viet varautuneen esineen (kuten muovikynän, jota hierot hiuksiisi) lähelle keskellä olevaa metallia, tämä lisää varausta veteen ja vetää vastakkaisen varauksen ulkopuoliseen metalliin. Tästä on mahdollista saada melko korkea jännite, koska veden ja metallin välissä oleva lasi toimii eristeenä.

Miten voit tehdä Leydenin purkin?

Luulenpa, että voit päätellä tämän siitä, miten se toimii—mutta näytän silti, miten sellainen tehdään. Tässä on video, jonka tein tämän MacGyverin jakson yhteyteen ja jossa käydään läpi tämä rakentaminen.

Sallikaa minun huomauttaa, että tämänkaltaisten videoiden tekeminen on yksi parhaista puolista työskennellessäni MacGyverin käsikirjoittajien kanssa sarjan teknisenä konsulttina. Suurin osa MacGyverin hakkeroinneista on vähintäänkin tieteellisesti uskottavia, mutta monia niistä ei kannata kokeilla kotona (kuten hyppäämistä kolmikerroksisesta ikkunasta sammuttimen ja ruumispussin kanssa). Toisista hakkeroinneista voisi olla kotiversio – sitä tässä on tarjolla. Kaikkien pitäisi jossain vaiheessa leikkiä jutuilla.

Mitä tällä Leydenin purkilla voi tehdä? Miten olisi kipinän tekeminen? Ensin maadoitetaan se (joko pidetään kiinni tai kytketään maahan) ja sitten hierotaan jotain, jotta saadaan varaus (muovi villaan toimii). Kosketa tätä muovia keskellä olevaan metalliin ja toista tätä kunnes kyllästyt. Vie nyt johto ulommasta foliosta keskellä olevaan metallikynteen ja sinun pitäisi saada mukava kipinä. Tässä pieni kipinä kosteana päivänä (kuivana se toimii paremmin).

Jos haluat mieluummin järkyttää jotakuta, ok—mutta se tavallaan sattuu.

Mikä on Leyden-purkin kapasitanssi?

Voi tuntua siltä, että voisit mitata kondensaattorin arvon yhtä helposti kuin voisit löytää vastuksen resistanssin. No, se ei ole aivan näin yksinkertaista. Suurin osa näkemistäsi yleismittareista ei mittaa suoraan kapasitanssia—mutta on joitakin, jotka mittaavat. Miten se toimii? En aio selittää sitä juuri nyt, mutta palaan toiseen viestiin, jossa tarkastellaan kondensaattorin arvon määrittämistä. Toistaiseksi aion vain käyttää yhtä paremmista yleismittareista.

Tässä on varsinainen Leydenin purkkini. Tässä tapauksessa käytin vesipulloa muovimukin sijasta, kuten videolla näkyy.

Yleismittari antaa kapasitanssin arvoksi 1,17 nF (nano Farads) eli 1,17 x 10-9 Farads. Onko tämä arvo edes laillinen? Entä jos oletan, että pullon ympärille kääritty folio on kuin rinnakkaislevykondensaattori – sellainen se tavallaan on, jos sen purkaa. Siinä tapauksessa voin arvioida kapasitanssin arvon ja verrata sitä mittarin arvoon.

Tämän vesipullon korkeus on noin 10 cm ja halkaisija 5,5 cm. Se tarkoittaa, että jos rullaisin folion, sen pinta-ala olisi 0,1 m x 0,055 m eli 0,0055 m2. Pullon sisällä olevalla vedellä on suunnilleen sama pinta-ala. Entäpä nyt levyjen välinen etäisyys? Arvioin sen karkeasti arvolla 2 mm (0,002 metriä). Arvaan, että muovin suhteellinen permittiivisyys on 2,0. Käyttämällä näitä arvoja saan kapasitanssiksi 0,049 nFaradia. Okei, eli joko pullon paksuuteni on kaukana tai tämä mittari ei anna kovin tarkkaa arvoa (tai molempia).

Miten paljon energiaa Leydenin purkkiin on varastoitunut?

Kondensaattoriin varastoitunut energia saadaan selville seuraavalla kaavalla:

Minulla on kapasitanssin lukuarvo (käytän yleismittarista saatua arvoa). Mutta entä jännite? Tässä kohtaa voin käyttää loistavaa kikkaa. Ilman sähkökentän hajoamisarvo on noin 3 x 106 volttia metrillä. Tämä on ilman sähkökentän arvo, jolla se muuttuu eristeestä johtimeksi. Jos voin arvioida kipinän pituuden, voin käyttää sitä saadakseni kondensaattorin jännitteen arvon. Sanotaan, että kipinä oli 3 mm, jolloin jännite olisi 9 000 volttia.

Nyt minun tarvitsee vain liittää tämä energiayhtälöön ja saan varastoiduksi energiaksi 0,05 Joulea. Se ei ole paljon, mutta se on jotain. Olen melko varma, että voit ladata Leydenin niin, että saat paljon suuremman kipinän (luultavasti yli senttimetrin) paljon suuremmalla energialla.

Kotitehtävä

Tässä on liian monta kysymystä jätetty vastaamatta. Tässä on lista kysymyksistä sinulle (tai minulle).

• Rakenna Leydenin purkki ja mittaa kapasitanssi. Älä käytä yleismittaria.
• Mitä jos otat Leydenin purkin ja mittaat kapasitanssin. Poista nyt puolet alumiinifoliosta. Mitä kapasitanssin arvolle pitäisi tapahtua? Mittaa se nyt ja katso mitä tapahtuu.
• Rakenna kaksi Leydenin purkkia. Laita ne sarjaan, tuleeko kondensaattorin odotettu arvo lähelle mitattua arvoa? Entä kaksi purkkia rinnakkain?
• Voitko käyttää yhtä Leydenin purkkia lataamaan toista?
• Käytä jousivaakaa tai voima-anturia arvioidaksesi voiman, joka tarvitaan hieromaan muovitankoa villalla. Arvioi nyt, kuinka paljon energiaa ihminen käyttää tämän sauvan lataamiseen. Miten ihmisen energia vertautuu Leydenin purkkiin varastoituneeseen energiaan?
• Luota lauseke kondensaattoriin varastoituneelle energialle.
• Laskekaa sylinterimäisen kondensaattorin kapasitanssi (yhdensuuntaisen levyn sijaan).