- història
- Parts
- Materials necessaris per fabricar la Ampolla de Leyden
- funcionament
- Condensadors o condensadors
- Capacitat de l'ampolla de Leyden
- Ampolla de Leyden casolana
- procediment
- experiments
- experiment 1
- experiment 2
- referències
La ampolla de Leyden es tracta d'una ampolla o gerra de vidre prim, la qual conté en la seva part interna una làmina metàl·lica ben ajustada ia l'exterior una altra pel·lícula de metall igualment cenyida.
És el primer dispositiu elèctric a la història que va servir per emmagatzemar càrregues elèctriques simplement tocant-la, ja sigui per la vareta o per la làmina exterior, amb una barra prèviament carregada per fricció (efecte triboeléctrico) o per inducció electrostàtica. També es pot usar una font de voltatge com una pila o bateria.
Figura 1. La figura mostra una ampolla de Leyden típica. La làmina interior és una de les plaques de condensador i la làmina externa és l'altra placa. Font: Wikimedia Commons. branca
història
L'invent de l'ampolla de Leyden se li atribueix a Pieter van Musschenbroek, professor de Física de la Universitat de Leyden en 1745. De manera independent i simultània, l'inventor alemany Ewald Georg von Kleist també va aconseguir emmagatzemar electricitat estàtica amb ampolles similars, anticipant-se a l' holandès.
Musschenbroek va tenir l'ajuda d'un advocat anomenat Cunaeus, a qui havia convidat al seu laboratori a Leyden. Aquest sagaç personatge va ser el primer a adonar-se que la càrrega s'acumulava sostenint el pot amb la mà mentre es carrega la barra o agulla amb la màquina electrostàtica.
Després que el professor Musschenbroek sorprengués a tots amb el seu invent, la següent millora en l'ampolla de Leyden, com finalment va quedar batejat el dispositiu, es va realitzar en 1747 gràcies a John Bevis, metge, investigador i per si fos poc l'astrònom que va descobrir la Nebulosa d'el Cranc.
Bevis va observar que si cobria l'ampolla en la seva part externa amb una làmina prima, no hi havia necessitat de sostenir-la amb la mà.
També es va adonar que omplir-la amb aigua o amb alcohol no era necessari (l'ampolla original de Musschenbroek era plena de líquid) i que només es requeria cobrir la paret interior de l'flascó amb foli metàl·lic en contacte amb la vareta que travessa el suro.
Experiments posteriors van revelar que s'acumulava més càrrega en la mesura que el vidre fos més prim i la superfície de metall adjacent més extensa.
Parts
Les parts d'una ampolla de Leyden es mostren a la figura 1. El vidre fa d'aïllant o dielèctric entre les plaques, a més de servir per donar-los el suport necessari. Les plaques solen ser primes làmines d'estany, alumini o coure.
Per fabricar la tapa de la gerra també es fa servir un aïllant, per exemple fusta seca, plàstic o vidre. La tapa és traspassada per una vareta metàl·lica de la qual penja una cadena que serveix per fer contacte elèctric amb la placa interna.
Materials necessaris per fabricar la Ampolla de Leyden
- Pot de vidre, sent el més prim possible
- Làmina de metall (alumini, estany, coure, plom, plata, or) per cobrir per separat, la part interna i externa de l'flascó.
- Tapa de material aïllant foradada.
- Vareta metàl·lica per travessar la tapa foradada i que en l'extrem interior tingui una cadena o cable que faci contacte metàl·lic amb la làmina interior de l'flascó. L'altre extrem de la vareta generalment acaba en esfera, per evitar arcs elèctrics per càrregues acumulades en les puntes.
Figura 2. Parts d'una ampolla de Leyden. Font: Wikimedia Commons.
funcionament
Per explicar l'acumulació de càrrega elèctrica és necessari començar per establir la diferència existent entre aïllants i conductors.
Els metalls són conductors perquè els electrons (portadors de càrrega negativa elemental) es poden moure lliurement dins dels mateixos. La qual cosa no vol dir que el metall sempre estigui carregat, de fet roman neutre quan la quantitat d'electrons iguala la de protons.
En canvi, els electrons en l'interior dels aïllants no tenen la mobilitat típica dels metalls. No obstant això, per fregament entre materials aïllants diferents pot passar que els electrons de la superfície d'un d'ells passin a la superfície de l'altre.
Tornant a l'ampolla de Leyden, en forma simplificada es tracta d'una làmina metàl·lica separada per un aïllant d'una altra làmina conductora. La figura 3 mostra un esquema.
Figura 3: Esquema simplificat d'ampolla de Leyden i com adquireix la càrrega. Font: Fanny Zapata.
Suposem que la placa externa es connecta a terra, ja sigui subjectant-la amb la mà o mitjançant un cable. Quan se li acosta una barra que va ser carregada positivament per fregament, la vareta que connecta amb la placa interna resta polaritzada. Això porta a una separació de càrregues en el conjunt vareta-placa interna.
Els electrons de la placa exterior són atrets per les càrregues positives de la placa oposada i més electrons arriben a la placa exterior des de la connexió a terra.
Quan aquesta connexió s'interromp, la placa queda carregada negativament i quan se separa la vareta, la placa interior queda carregada positivament.
Condensadors o condensadors
L'ampolla de Leyden va ser el primer condensador conegut. Un capacitor consta de dues plaques metàl·liques separades per un aïllant i són ben coneguts en electricitat i electrònica com a indispensables elements de circuit.
El condensador més simple consta de dues plaques planes d'àrea A separades una distància d molt menor que la mida de les plaques.
La capacitat C per emmagatzemar càrrega en un condensador de plaques planes és proporcional a l'àrea A de les plaques, i inversament proporcional a la separació d entre les plaques. La constant de proporcionalitat és la permitivitat elèctrica ε i es resumeixen en la següent expressió:
El condensador format per l'ampolla de Leyden es pot aproximar per dues plaques cilíndriques concèntriques de radis a intern i radi b per a la placa exterior i alçada L. La diferència dels radis és justament el gruix de l'vidre d que és la separació entre les plaques.
La capacitat C d'un condensador de plaques cilíndriques està donada per:
Com es dedueix d'aquesta expressió, com més gran la longitud L més capacitat té el dispositiu.
Capacitat de l'ampolla de Leyden
En el cas que el gruix o separació d sigui molt menor que el radi, llavors la capacitat pot ser aproximada per l'expressió de les plaques planes com segueix:
En l'expressió anterior p és el perímetre de la placa cilíndrica i L l'altura.
Independent de la forma, la càrrega màxima Q que pot acumular un condensador és proporcional a el voltatge de càrrega V, sent la capacitat C de l'condensador la constant de proporcionalitat.
Q = C ⋅ V
Ampolla de Leyden casolana
Amb uns materials fàcils d'aconseguir a casa i una mica d'habilitat manual es pot emular el professor Musschenbroek i construir una ampolla de Leyden. Per a això es necessita:
- 1 pot de vidre o plàstic, com els de maionesa.
- 1 tapa aïllant de plàstic foradada per la qual es farà passar un filferro o cable rígid.
- Tires rectangulars de paper alumini de cuina per a cobrir, enganxar o adherir a l'interior i a l'exterior de l'flascó. És important que la cobertura d'alumini no arribi fins a la vora de l'flascó, pot ser una mica més amunt de la meitat.
- Un cable flexible sense aïllant que s'empalma a la part interior de la vareta, de manera que faci contacte amb el paper alumini que recobreix l'interior de la paret de l'flascó.
- Esfera metàl·lica (va sobre de la tapa per evitar l'efecte de puntes).
- Cable sense aïllant que s'enllaçarà a la làmina exterior d'alumini.
- Regla i tisores.
- Cinta adhesiva.
Nota: Una altra versió que evita el treball de col·locar el paper alumini en la part interior consisteix a omplir l'ampolla o flascó amb una solució d'aigua i sal, la qual farà de placa interior.
procediment
Recobreixi l'ampolla per dins i per fora amb les tires de paper d'alumini, de ser necessari es fixen amb la cinta adhesiva, tenint cura de no sobrepassar massa la meitat de l'flascó.
- Perfori acuradament la tapa per fer passar el filferro o el cable de coure sense coberta aïllant, per posar en contacte el paper d'alumini interior de l'ampolla amb l'exterior, on ha de col·locar l'esfera conductora just per dalt de la tapa.
- Més cable sense aïllant s'usa per enllaçar la coberta externa i fer una mena de nansa. Tot el conjunt ha de quedar semblant al que es mostra en les figures 1 i 4.
Figura 4. Ampolla de Leyden. Font: F. Zapata.
experiments
Un cop construïda l'ampolla de Leyden pot experimentar amb ella:
experiment 1
Si disposa d'un televisor o monitor antic la pantalla sigui de raigs catòdics pot usar-la per carregar l'ampolla. Per a això subjecti l'ampolla amb una mà per la placa exterior, mentre s'acosta i toca a la pantalla el cable que connecta amb la part interior.
El cable lligat a la part externa s'ha d'apropar a el cable que ve de la part interna de l'ampolla. Noti que es produeix una guspira, demostrant que l'ampolla s'ha carregat elèctricament.
experiment 2
En cas de no posseir una pantalla adequada pot carregar l'ampolla de Leyden apropant-la a un drap de llana que hagi tret recentment de l'assecadora de roba. Una altra opció per a la font de càrrega és prendre un tros de tub plàstic (PVC) que prèviament s'ha polit per treure el greix i vernís. Fregui el tub amb una tovallola de paper fins que el mateix adquireixi càrrega suficient.
referències
- Ampolla de Leyden. Recuperat de: es.wikipedia.org
- Electrical instruments. Leyden Jar. Recuperat de: Brittanica.com
- Endesa educa. Experiment: ampolla de Leyden. Recuperat de: youtube.com.
- Leyden Jar. Recuperat de: en.wikipedia.org.
- The Physics of the Leyden xar in "MacGyver". Recuperat de: wired.com
- Tippens, P. Física: Conceptes i Aplicacions. 516-523.