Într-un episod recent din MacGyver, Angus (așa îi spun prietenii săi foarte apropiați) construiește un borcan Leyden cu câteva componente foarte simple. Bineînțeles că există o fizică impresionantă aici, așa că, evident, voi trece în revistă acest aspect. Dezvăluiri complete – eu sunt în prezent consultantul tehnic pentru emisiunea MacGyver.

Ce este un borcan Leyden?

Cu mult timp în urmă, oamenii abia începeau să înțeleagă toată chestia asta cu electricitatea – în special studiul electrostaticii. Borcanul Leyden a fost folosit inițial pentru a stoca încărcătura electrică după ce un obiect frecat este încărcat (cum ar fi șosetele tale în uscător). Existau două variante comune ale borcanului Leyden, permiteți-mi să le ilustrez pe amândouă.

Vezi mai mult

Pentru versiunea 1, există două bucăți de metal în jurul unui pahar de sticlă. O bucată de metal se află în interiorul paharului și una este în exterior. Cu toate acestea, pentru versiunea 2, metalul din interior este înlocuit cu apă. Da, puteți înlocui metalul cu apă, atâta timp cât apa este un conductor electric. Cea mai mare parte a apei conduce electricitatea, dar ați putea adăuga puțină sare doar pentru a fi siguri.

Dar cum funcționează? Într-adevăr, borcanul Leyden este doar un condensator… asta e tot. Cel mai simplu condensator conține două plăci metalice paralele, fără nimic între ele. Dacă adăugați sarcină pe o parte a plăcilor, aceasta va atrage sarcina opusă pe cealaltă placă (presupunând că există o cale pentru ca sarcina să ajungă acolo). Iată cum ar arăta.

În acest exemplu, există o sarcină de +Q pe o placă (și -Q pe cealaltă) cu o diferență de potențial electric de ΔV. Raportul dintre sarcină (pe o singură placă) și diferența de potențial se definește ca fiind capacitatea, astfel încât. Unitatea de măsură pentru capacitate este Faradul.

Cu toate acestea, se pare că valoarea capacității depinde doar de configurația fizică a dispozitivului. În acest caz, aceasta înseamnă dimensiunea plăcilor, distanța de separare a acestora și materialul care se află între ele. Pentru un condensator cu plăci paralele (ca cel de mai sus), capacitatea poate fi calculată astfel:

Aria condensatorului este A, iar d este distanța dintre plăci. Variabila ε (epsilon) se numește permitivitate și depinde de tipul de material dintre plăci.

Chiar dacă borcanul Leyden are o configurație diferită, el funcționează în principiu în același mod. Metalul exterior poate fi împământat pur și simplu ținându-l cu mâna sau trecând un fir la o țeavă metalică de apă. Atunci când aduceți un obiect încărcat (cum ar fi un stilou de plastic pe care vi-l frecați în păr) în apropierea metalului din mijloc, acesta va adăuga sarcină la apă și va atrage sarcina opusă spre metalul exterior. Este posibil să se ajungă la un voltaj destul de ridicat, deoarece sticla dintre apă și metal acționează ca un izolator.

Cum se poate face un borcan Leyden?

Cred că vă puteți da seama de acest lucru prin modul în care funcționează – dar totuși, lăsați-mă să vă arăt cum se face unul. Iată un videoclip pe care l-am făcut pentru a însoți acest episod din MacGyver și care vă ghidează prin această construcție.

Dați-mi voie să subliniez faptul că realizarea unor videoclipuri ca acesta este una dintre cele mai bune părți ale lucrului cu scenariștii MacGyver în calitate de consultant tehnic al emisiunii. Cele mai multe dintre trucurile din MacGyver sunt cel puțin plauzibile din punct de vedere științific, dar multe dintre ele nu ar trebui să le încerci acasă (cum ar fi să sari de la o fereastră de trei etaje cu un extinctor și un sac de cadavre). Alte trucuri ar putea avea o versiune casnică… asta este ceea ce veți obține aici. Toată lumea ar trebui să se joace cu chestii la un moment dat.

Ce poți face cu acest borcan Leyden? Ce-ai zice să faci o scânteie? Mai întâi, împământați-l (fie îl țineți în mână, fie îl conectați la pământ) și apoi frecați ceva pentru a obține o sarcină (plasticul pe lână funcționează). Atingeți acest plastic de metalul din mijloc și repetați acest lucru până când obosiți. Acum, aduceți un fir de la folia exterioară la cuiul metalic din mijloc și ar trebui să obțineți o scânteie frumoasă. Iată o mică scânteie într-o zi umedă (dacă este uscată funcționează mai bine).

Dacă preferați să șocați pe cineva, ok – dar cam doare.

Ce este capacitatea unui borcan Leyden?

S-ar putea părea că ați putea măsura pur și simplu valoarea unui condensator la fel de ușor ca și cum ați putea afla rezistența unui rezistor. Ei bine, nu este chiar atât de simplu. Majoritatea multimetrelor pe care le veți vedea nu măsoară direct capacitatea – dar există unele care o fac. Cum funcționează? Nu am de gând să vă explic acum, dar voi reveni cu un alt articol care se referă la găsirea valorii unui condensator. Deocamdată, voi folosi doar unul dintre cele mai bune multimetre.

Iată borcanul meu Leyden actual. În acest caz am folosit o sticlă de apă în loc de un pahar de plastic, așa cum se vede în videoclip.

Multimetrul dă o valoare a capacității de 1,17 nF (nano Farads) sau 1,17 x 10-9 Farads. Este această valoare măcar legitimă? Ce se întâmplă dacă presupun că folia înfășurată în jurul sticlei este ca un condensator cu plăci paralele – cam așa este dacă o desfaci. În acest caz, pot estima valoarea capacității și o pot compara cu valoarea contorului.

Această sticlă de apă specială are o înălțime de aproximativ 10 cm și un diametru de 5,5 cm. Aceasta înseamnă că, dacă aș întinde folia, aceasta ar avea o suprafață de 0,1 m pe 0,055 m sau 0,0055 m2. Apa din interiorul sticlei are aproximativ aceeași suprafață. Acum, cum rămâne cu separarea dintre plăci? Voi face o estimare aproximativă a acesteia cu o valoare de 2 mm (0,002 metri). Voi presupune că plasticul are o permitivitate relativă de 2,0. Folosind aceste valori, obțin o capacitate de 0,049 nFarads. Ok, deci fie grosimea sticlei mele este mult greșită, fie acest aparat de măsură nu dă o valoare foarte precisă (sau ambele).

Câtă energie este stocată în borcanul Leyden?

Energia stocată într-un condensator poate fi găsită prin:

Am o valoare pentru capacitate (voi folosi valoarea de la multimetru). Dar cum rămâne cu tensiunea? Aici este locul unde pot folosi un truc grozav. Aerul are o valoare de rupere a câmpului electric de aproximativ 3 x 106 volți pe metru. Aceasta este valoarea câmpului electric din aer la care acesta trece de la izolator la conductor. Dacă pot estima lungimea scânteii, o pot folosi pentru a obține valoarea tensiunii condensatorului. Să spunem că scânteia a fost de 3 mm, acest lucru ar da o tensiune de 9.000 de volți.

Acum trebuie doar să introduc acest lucru în ecuația energiei și obțin o energie stocată de 0,05 Jouli. Nu este mult, dar este ceva. Sunt destul de sigur că poți încărca un Leyden pentru a obține o scânteie mult mai mare (probabil peste un centimetru) cu o energie mult mai mare.

Teme pentru acasă

Există prea multe întrebări rămase fără răspuns. Iată o listă de întrebări pentru voi (sau pentru mine).

• Construiți un borcan Leyden și măsurați capacitatea. Nu folosiți un multimetru.
• Ce se întâmplă dacă luați un borcan Leyden și măsurați capacitatea. Acum îndepărtați jumătate din folia de aluminiu. Ce ar trebui să se întâmple cu valoarea capacității? Acum măsurați-o și vedeți ce se întâmplă.
• Construiți două borcane Leyden. Puneți-le în serie, se apropie valoarea așteptată a condensatorului de valoarea măsurată? Cum rămâne cu două borcane în paralel?
• Puteți folosi un borcan Leyden pentru a încărca un alt borcan?
• Utilizați un cântar cu arc sau o sondă de forță pentru a estima forța necesară pentru a freca o tijă de plastic cu lână. Acum estimați energia pe care o depune un om pentru a încărca această tijă. Cum se compară energia umană cu energia stocată în borcanul Leyden?
• Determinați expresia pentru energia stocată într-un condensator.
• Calculați capacitatea unui condensator cilindric (în loc de o placă paralelă).