I ett nytt avsnitt av MacGyver bygger Angus (det är vad hans VÄLDIGT nära vänner kallar honom) en Leydenburk med några mycket enkla komponenter. Naturligtvis finns det en del fantastisk fysik här, så jag kommer naturligtvis att gå igenom detta. Jag är för närvarande teknisk konsult för MacGyver-serien.

Vad är en Leyden-kruka?

För länge sedan började människorna precis att förstå hela den här elektricitetsgrejen – i synnerhet studiet av elektrostatik. Leydenburken användes ursprungligen för att lagra elektrisk laddning efter att något gnuggat föremål laddats (som dina strumpor i torktumlaren). Det fanns två vanliga varianter av Leydenburken, låt mig illustrera båda.

Se mer

För version 1 finns det två metallbitar runt en glaskopp. En metallbit sitter inuti koppen och en på utsidan. För version 2 är dock metallbiten på insidan ersatt med vatten. Ja, man kan ersätta metallen med vatten så länge vattnet är en elektrisk ledare. Det mesta vattnet leder elektricitet, men du kan tillsätta lite salt för säkerhets skull.

Men hur fungerar det? Egentligen är Leydenburken bara en kondensator – det är allt. Den enklaste kondensatorn innehåller två parallella metallplattor utan något mellan dem. Om du lägger till laddning på ena sidan av plattorna kommer detta att dra den motsatta laddningen till den andra plattan (förutsatt att det finns en väg för laddningen att ta sig dit). Så här skulle det se ut.

I detta exempel finns det en laddning på +Q på den ena plattan (och -Q på den andra) med en elektrisk potentialskillnad på ΔV. Förhållandet mellan laddningen (på bara en platta) och potentialskillnaden definieras som kapacitans, så att. Enheten för kapacitans är farad.

Det visar sig dock att värdet på kapacitansen endast beror på anordningens fysiska konfiguration. I det här fallet innebär det storleken på plattorna, deras avstånd till varandra och det material som finns mellan dem. För en kondensator med parallella plattor (som ovan) kan kapacitansen beräknas som:

Kondensatorns area är A och d är avståndet mellan plattorna. Variabeln ε (epsilon) kallas permittivitet och beror på vilken typ av material som finns mellan plattorna.

Även om Leydenburken har en annan konfiguration fungerar den i princip på samma sätt. Den yttre metallen kan jordas helt enkelt genom att hålla den med handen eller genom att dra en tråd till ett vattenrör av metall. När du för ett laddat föremål (t.ex. en plastpenna som du gnuggar i håret) nära metallen i mitten kommer detta att lägga till laddning till vattnet och dra den motsatta laddningen till den yttre metallen. Det är möjligt att få upp detta till ganska hög spänning eftersom glaset mellan vattnet och metallen fungerar som en isolator.

Hur kan man göra en Leyden Jar?

Jag antar att du kan räkna ut detta genom hur det fungerar – men låt mig ändå visa dig hur man gör en. Här är en video som jag gjorde tillsammans med det här avsnittet av MacGyver och som visar hur man bygger den.

Låt mig påpeka att det är en av de bästa delarna av att arbeta med MacGyver-skribenterna som teknisk konsult för serien att göra videor som den här typen av videor. De flesta av hackarna i MacGyver är åtminstone vetenskapligt rimliga, men många av dem bör man inte prova hemma (som att hoppa ut från ett trevåningsfönster med en brandsläckare och en liksäck). Andra hacker skulle kunna ha en hemmaversion – det är vad du får här. Alla borde leka med saker någon gång.

Vad kan du göra med den här Leydenburken? Vad sägs om att göra en gnista? Först jordar du den (antingen håller du den eller ansluter den till jord) och sedan gnuggar du något för att få en laddning (plast på ull fungerar). Rör denna plast mot metallen i mitten och upprepa detta tills du tröttnar. För nu en tråd från den yttre folien till metallspiken i mitten och du bör få en fin gnista. Här är en liten gnista en fuktig dag (om det är torrt fungerar det bättre).

Om du föredrar att chocka någon, okej – men det gör ganska ont.

Hur stor är kapacitansen hos en Leyden Jar?

Det kan tyckas att du bara kan mäta värdet på en kondensator lika enkelt som du kan hitta motståndet hos ett motstånd. Tja, det är inte riktigt så enkelt. De flesta multimetrar som du kommer att se mäter inte direkt kapacitans – men det finns några som gör det. Hur fungerar det? Jag tänker inte förklara det just nu, men jag kommer att återkomma med ett annat inlägg som handlar om att hitta värdet på en kondensator. För tillfället ska jag bara använda en av de bättre multimetrarna.

Här är min faktiska Leydenburk. I det här fallet använde jag en vattenflaska istället för en plastmugg som syns i videon.

Multimeteretern ger ett kondensationsvärde på 1,17 nF (nano Farads) eller 1,17 x 10-9 Farads. Är detta värde ens legitimt? Vad händer om jag antar att folien som är lindad runt flaskan är som en parallellplattkondensator – det är det typ om man packar upp den. I så fall kan jag uppskatta kapacitansvärdet och jämföra det med mätarens värde.

Denna vattenflaska har en höjd på cirka 10 cm och en diameter på 5,5 cm. Det betyder att om jag rullar ut folien skulle den få en yta på 0,1 m gånger 0,055 m eller 0,0055 m2. Det inre vattnet i flaskan har ungefär samma yta. Hur är det nu med avståndet mellan plattorna? Jag kommer bara att grovt uppskatta detta med ett värde på 2 mm (0,002 meter). Jag kommer att gissa att plast har en relativ permittivitet på 2,0. Med dessa värden får jag en kapacitans på 0,049 nFarads. Ok, så antingen är min flasktjocklek helt fel eller så ger den här mätaren inte ett särskilt exakt värde (eller båda).

Hur mycket energi lagras i Leyden Jar?

Den energi som lagras i en kondensator kan hittas genom att:

Jag har ett värde för kapacitansen (jag kommer att använda värdet från multimeteret). Men hur är det med spänningen? Här kan jag använda ett bra trick. Luft har ett elektriskt fältfördelningsvärde på cirka 3 x 106 volt per meter. Detta är värdet på det elektriska fältet i luft vid vilket det övergår från en isolator till en ledare. Om jag kan uppskatta längden på gnistan kan jag använda den för att få fram värdet på kondensatorspänningen. Låt oss säga att gnistan var 3 mm, detta skulle ge en spänning på 9 000 volt.

Nu behöver jag bara sätta in detta i energiavvägningen och jag får en lagrad energi på 0,05 joule. Det är inte mycket, men det är något. Jag är ganska säker på att man kan ladda upp en Leyden för att få en mycket större gnista (förmodligen över en centimeter) med mycket högre energi.

Hemläxa

Det finns för många frågor som lämnas obesvarade. Här är en lista med frågor till dig (eller mig).

• Bygg en Leydenburk och mät kapacitansen. Använd inte en multimeter.
• Vad händer om du bygger en Leydenburk och mäter kapacitansen. Ta nu bort hälften av aluminiumfolien. Vad skulle hända med värdet på kapacitansen? Mät det nu och se vad som händer.
• Bygg två Leydenburkar. Sätt dem i serie, kommer kondensatorns förväntade värde nära det uppmätta värdet? Hur är det med två burkar parallellt?
• Kan du använda en Leydenburk för att ladda en annan burk?
• Använd en fjädervåg eller en kraftsond för att uppskatta den kraft som behövs för att gnugga en plaststav med ull. Uppskatta nu den energi som en människa lägger ner på att ladda denna stav. Hur förhåller sig människans energi till den energi som lagras i Leydenburken?
• Uttala uttrycket för den energi som lagras i en kondensator.
• Beräkna kapacitansen hos en cylindrisk kondensator (i stället för en parallellplatta).