LEYDEN FLASCHE: TEILE, BETRIEB, EXPERIMENTE - KÖRPERLICH - 2025

Die Leyden-Flasche ist eine dünne Glasflasche oder ein dünnes Glas, das innen eine fest sitzende Metallfolie und außen eine weitere fest sitzende Metallfolie enthält.

Es ist das erste elektrische Gerät in der Geschichte, das zum Speichern elektrischer Ladungen verwendet wurde, indem es entweder durch den Stab oder durch die äußere Folie mit einem Stab berührt wurde, der zuvor durch Reibung (triboelektrischer Effekt) oder durch elektrostatische Induktion aufgeladen wurde. Eine Spannungsquelle wie eine Zelle oder eine Batterie kann ebenfalls verwendet werden.

Abbildung 1. Die Abbildung zeigt eine typische Leyden-Flasche. Das innere Blatt ist eine der Kondensatorplatten und das äußere Blatt ist die andere Platte. Quelle: Wikimedia Commons. Ast

Geschichte

Die Erfindung der Leyden-Flasche wird Pieter van Musschenbroek, Professor für Physik an der Universität Leyden im Jahr 1745, zugeschrieben. Unabhängig und gleichzeitig gelang es dem deutschen Erfinder Ewald Georg von Kleist, statische Elektrizität mit ähnlichen Flaschen zu speichern Niederländisch.

Musschenbroek hatte die Hilfe eines Anwalts namens Cunaeus, den er in sein Labor in Leyden eingeladen hatte. Dieser kluge Charakter bemerkte als erster, dass sich die Ladung ansammelte, indem er die Flasche mit der Hand hielt, während die Stange oder Nadel mit der elektrostatischen Maschine beladen war.

Nachdem Professor Musschenbroek alle mit seiner Erfindung überrascht hatte, wurde die nächste Verbesserung der Leyden-Flasche, als das Gerät schließlich getauft wurde, 1747 dank John Bevis, einem Arzt, Forscher und nicht zuletzt dem Astronomen, der es entdeckte, vorgenommen der Krebsnebel.

Bevis bemerkte, dass es nicht nötig war, die Außenseite der Flasche mit der Hand zu halten, wenn Sie sie mit einem dünnen Blatt bedeckten.

Er erkannte auch, dass das Befüllen mit Wasser oder Alkohol nicht erforderlich war (die ursprüngliche Musschenbroek-Flasche war mit Flüssigkeit gefüllt) und dass nur die Innenwand der Flasche mit Metallfolie bedeckt werden musste, die mit dem Stab in Kontakt stand, der durch den Korken führt.

Spätere Experimente ergaben, dass sich mehr Ladung ansammelte, wenn das Glas dünner und die angrenzende Metalloberfläche ausgedehnter wurde.

Teile

Die Teile einer Leyden-Flasche sind in Abbildung 1 dargestellt. Das Glas wirkt als Isolator oder Dielektrikum zwischen den Platten und dient zusätzlich dazu, ihnen den erforderlichen Halt zu geben. Die Platten sind normalerweise dünne Bleche aus Zinn, Aluminium oder Kupfer.

Ein Isolator wird auch verwendet, um den Deckel des Glases herzustellen, beispielsweise trockenes Holz, Kunststoff oder Glas. Die Abdeckung wird von einem Metallstab durchbohrt, an dem eine Kette hängt, die dazu dient, elektrischen Kontakt mit der inneren Platte herzustellen.

Materialien für die Herstellung der Leyden-Flasche

- Glasflasche so dünn wie möglich

- Metallfolie (Aluminium, Zinn, Kupfer, Blei, Silber, Gold) zur getrennten Abdeckung des inneren und äußeren Teils der Flasche.

- Gebohrte Isoliermaterialabdeckung.

- Metallstange, die durch den perforierten Deckel führt und am inneren Ende eine Kette oder ein Kabel aufweist, die metallischen Kontakt mit dem inneren Blatt der Flasche herstellen. Das andere Ende des Stabes endet im Allgemeinen in einer Kugel, um Lichtbögen aufgrund von angesammelten Ladungen an den Enden zu vermeiden.

Abbildung 2. Teile einer Leyden-Flasche. Quelle: Wikimedia Commons.

Funktion

Um die Akkumulation elektrischer Ladung zu erklären, muss zunächst der Unterschied zwischen Isolatoren und Leitern festgestellt werden.

Metalle sind leitend, weil sich Elektronen (Träger elementarer negativer Ladung) in ihnen frei bewegen können. Das bedeutet nicht, dass das Metall immer geladen ist, sondern dass es neutral bleibt, wenn die Anzahl der Elektronen der Anzahl der Protonen entspricht.

Im Gegensatz dazu fehlt Elektronen in Isolatoren die typische Beweglichkeit von Metallen. Durch Reiben zwischen verschiedenen Isoliermaterialien kann es jedoch vorkommen, dass Elektronen von der Oberfläche eines von ihnen zur Oberfläche des anderen gelangen.

Zurück zur Leyden-Flasche: In vereinfachter Form handelt es sich um eine Metallfolie, die durch einen Isolator von einer anderen leitfähigen Folie getrennt ist. Abbildung 3 zeigt eine schematische Darstellung.

Abbildung 3: Vereinfachtes Diagramm der Leyden-Flasche und wie sie die Ladung erhält. Quelle: Fanny Zapata.

Angenommen, die externe Platte ist entweder von Hand oder durch einen Draht geerdet. Bei Annäherung an einen Stab, der durch Reiben positiv geladen wurde, wird der mit der Innenplatte verbundene Stab polarisiert. Dies führt zu einer Ladungstrennung in der Stangen-Innenplatten-Anordnung.

Die Elektronen auf der Außenplatte werden von den positiven Ladungen auf der gegenüberliegenden Platte angezogen und mehr Elektronen erreichen die Außenplatte vom Boden aus.

Wenn diese Verbindung unterbrochen wird, wird die Platte negativ geladen, und wenn der Stab getrennt wird, wird die innere Platte positiv geladen.

Kondensatoren oder Kondensatoren

Die Leyden-Flasche war der erste bekannte Kondensator. Ein Kondensator besteht aus zwei durch einen Isolator getrennten Metallplatten, die in Elektrizität und Elektronik als unverzichtbare Schaltungselemente bekannt sind.

Der einfachste Kondensator besteht aus zwei flachen Platten der Fläche A, die durch einen Abstand d voneinander getrennt sind, der viel kleiner als die Größe der Platten ist.

Die Kapazität C zum Speichern von Ladung in einem Flachplattenkondensator ist proportional zur Fläche A der Platten und umgekehrt proportional zum Abstand d zwischen den Platten. Die Proportionalitätskonstante ist die elektrische Permittivität ε und sie sind im folgenden Ausdruck zusammengefasst:

Der durch die Leyden-Flasche gebildete Kondensator kann durch zwei konzentrische zylindrische Platten mit Radien a innen und Radius b für die Außenplatte und Höhe L angenähert werden. Der Unterschied in den Radien ist genau die Dicke des Glases d, die der Abstand zwischen den Platten ist.

Die Kapazität C eines zylindrischen Plattenkondensators ist gegeben durch:

Wie aus diesem Ausdruck abgeleitet werden kann, hat das Gerät umso mehr Kapazität, je länger die Länge L ist.

Leyden Flaschenkapazität

In dem Fall, dass die Dicke oder der Abstand d viel kleiner als der Radius ist, kann die Kapazität durch den Ausdruck der flachen Platten wie folgt angenähert werden:

Im vorherigen Ausdruck ist p der Umfang der zylindrischen Platte und L die Höhe.

Unabhängig von der Form ist die maximale Ladung Q, die ein Kondensator akkumulieren kann, proportional zur Ladespannung V, wobei die Kapazität C des Kondensators die Proportionalitätskonstante ist.

Q = C ⋅ V.

Eine Flasche hausgemachten Leyden

Mit leicht verfügbaren Materialien zu Hause und einigen manuellen Fähigkeiten können Sie Professor Musschenbroek emulieren und eine Leyden-Flasche bauen. Dafür benötigen Sie:

- 1 Glas oder Plastikglas wie Mayonnaise.

- 1 perforierte Kunststoffisolierabdeckung, durch die ein starrer Draht oder Kabel geführt wird.

- Rechteckige Streifen aus Küchenaluminiumfolie zum Abdecken, Kleben oder Anhaften an der Innen- und Außenseite des Glases. Es ist wichtig, dass die Aluminiumbeschichtung nicht den Rand des Glases erreicht, sondern etwas höher als die Hälfte sein kann.

- Ein flexibles Kabel ohne Isolierung, das an der Innenseite der Stange so gespleißt ist, dass es mit der Aluminiumfolie in Kontakt kommt, die die Innenseite der Flaschenwand bedeckt.

- Metallkugel (wird oben auf den Deckel gelegt, um die Wirkung von Spikes zu vermeiden).

- Kabel ohne Isolierung, das am äußeren Aluminiumblech befestigt wird.

- Lineal und Schere.

- Tesafilm.

Hinweis: Eine andere Version, die das Aufbringen der Aluminiumfolie auf die Innenseite vermeidet, besteht darin, die Flasche oder das Glas mit einer Lösung aus Wasser und Salz zu füllen, die als innere Platte fungiert.

Prozess

Decken Sie die Flasche innen und außen mit den Aluminiumfolienstreifen ab. Falls erforderlich, werden sie mit dem Klebeband befestigt. Achten Sie darauf, dass Sie die Flaschenmitte nicht zu weit überschreiten.

- Stechen Sie vorsichtig in die Kappe, um den Kupferdraht oder das Kupferkabel ohne isolierende Abdeckung zu führen, und bringen Sie die innere Aluminiumfolie der Flasche in Kontakt mit der Außenseite, wo die leitende Kugel direkt über der Kappe platziert werden sollte.

- Es wird mehr Draht ohne Isolierung verwendet, um den Außenmantel zu binden und eine Art Griff herzustellen. Die gesamte Baugruppe sollte wie in den Abbildungen 1 und 4 dargestellt aussehen.

Abbildung 4. Leyden-Flasche. Quelle: F. Zapata.

Experimente

Sobald die Leyden-Flasche gebaut ist, können Sie damit experimentieren:

Versuch 1

Wenn Sie einen alten Fernseher oder Monitor mit einem Kathodenstrahlbildschirm haben, können Sie damit die Flasche aufladen. Halten Sie dazu die Flasche mit einer Hand an der Außenplatte, während Sie das Kabel, das mit dem Innenteil verbunden ist, schließen und den Bildschirm berühren.

Das an der Außenseite befestigte Kabel sollte sich in der Nähe des Kabels befinden, das von der Innenseite der Flasche kommt. Beachten Sie, dass ein Funke auftritt, der anzeigt, dass die Flasche elektrisch aufgeladen wurde.

Experiment 2

Wenn Sie keinen geeigneten Bildschirm haben, können Sie die Leyden-Flasche laden, indem Sie sie nahe an ein Wolltuch halten, das Sie gerade aus dem Wäschetrockner genommen haben. Eine weitere Option für die Ladequelle besteht darin, ein Stück Kunststoffrohr (PVC) zu nehmen, das zuvor geschliffen wurde, um Fett und Lack zu entfernen. Reiben Sie das Röhrchen mit einem Papiertuch ab, bis es ausreichend aufgeladen ist.

Verweise

1. Leyden Flasche. Wiederhergestellt von: es.wikipedia.org
2. Elektrische Instrumente. Leyden Jar. Wiederhergestellt von: Brittanica.com
3. Endesa bildet aus. Experiment: Leyden-Flasche. Wiederhergestellt von: youtube.com.
4. Leyden Jar. Wiederhergestellt von: en.wikipedia.org.
5. Die Physik des Leyden-Glases in "MacGyver". Wiederhergestellt von: wired.com
6. Tippens, P. Physik: Konzepte und Anwendungen. 516-523.