Vom construi, utilizând materiale care nu sunt foarte dificil de procurat, un dispozitiv capabil să stocheze sarcina electrică. În condițiile în care experimentul nostru va avea succes, vom obține un condensator cu o capacitate de aproximativ 1nF (un nanoFarad) cu o tensiune maxima de lucru destul de mare, capabil să rețină o cantitate de sarcină electrică suficientă pentru a produce o mică descărcare electrică. Drept urmare, este recomandat să efectuați cu grijă testele și să aveți un adult în apropiere atunci când construiți borcanul Leyden.

Pentru încărcarea condensatorului nostru vom avea nevoie de un dispozitiv care poate transfera sarcina electrică. Acesta este denumit electrofor și este alcătuit dintr-un disc electrizat și un altul, metalic, ce poate fi electrizat, prin influență, de primul disc.

Materiale necesare

• o farfurie de unică folosință din aluminiu sau o plăcuță subțire de aluminiu
• un pahar de unică folosință, din material plastic
• o bucată pătrată de polistiren, cu latura de 20 – 30cm, cu o grosime cât mai mare sau oricare alt material ce poate fi ușor electrizat și are dimensiunile apropiate de cele specificate
• o cârpă din lână (pentru a electriza polistirenul)
• bandă adezivă sau bandă izolatoare
• un recipient din plastic sau sticlă, prevăzut cu capac (poate fi utilizat un recipient pentru medicamente sau un borcan de mici dimensiuni)
• un cui din oțel, cu lungimea cel puțin egală cu înălțimea recipientului
• folie de aluminiu
• sare de bucătărie
• apă
• adeziv sub formă de baton de silicon și pistol de lipit pentru încălzirea și fixarea adezivului
• foarfece
• un bec cu descărcare în gaz, precum cel care se regăsește în întrerupătoarele electrice, sau o lampă fluorescentă: tub de neon, bec economic
• un fir cu clești crocodil izolați montați la ambele capete

Asamblează și testează

Înainte de toate vom construi electroforul.

Pentru aceasta, folosind bandă adezivă, lipim paharul de unică folosință de farfuria din aluminiu. Gura paharului va fi lipită de interiorul farfuriei, exact pe centrul acesteia.

Lăsăm deoparte dispozitivul pe care l-am construit și așezăm pe masă bucata de polistiren, pe care o vom freca pentru mai mult de un minut cu cârpa din lână. După ce am aplicat acest tratament polistirenului, luăm electroforul, pe care îl vom ține de la baza paharului și îl așezăm peste bucata de polistiren, pentru a-i transfera o parte din sarcina electrică. Îl ridicăm, ținând tot de baza paharului și apropiem unul dintre degetele de la mâna liberă de marginea farfuriei. Vom auzi un pocnet, vom simți o mică înțepătură și, dacă în camera este întuneric, este posibil să observăm și o mică scânteie. Pentru ca efectul să fie mai evident, următoarea descărcare o veți efectua ținând electroforul la o distanță de minim 30 de centimetri de polistiren.

După cum ați intuit, chiar și electroforul se va comporta precum un condensator. Acesta este capabil să stocheze sarcina electrică generată de frecarea plăcii de polistiren cu cârpa din lână; sarcina electrică stocată nu este foarte mare, însă este posibil să producă lumină într-o lampă fluorescentă. Utilizând o lampă fluorescentă, puteți testa dacă electroforul funcționează.

    În imaginea de mai jos sunt prezentate diferite modele de lămpi fluorescente.

În cazul acestui proiect, cele mai indicate lămpi pentru a efectua testele sunt cele prezentate în imaginea de mai jos, deoarece au un consum foarte mic (1nF reprezintă o capacitate relativ mică de a stoca sarcina electrică) și, în plus, în interiorul bulbului de sticlă al acestora nu se regăsește un filament (care, prin încălzire, ar consuma instantaneu sarcina electrică) ci doi electrozi, între care se pot produce descărcări electrice - structură care le face ideale pentru a testa descărcarea unui condensator.

Atenție: borcanul Leyden este un condensator care poate stoca o cantitate destul de mare de sarcină electrică, de înaltă tensiune și trebuie manipulat cu o grijă deosebită. Ar fi de preferat să nu îl descărcați prin corpul vostru întrucât există riscul de a produce o descărcare electrică periculoasă.

Dacă, după ce ați citit aceste aspecte, sunteți siguri că puteți continua experimentul cu responsabilitatea necesară, vom parcurge următoarele etape, pentru a construi strămoșul condensatorului:

Împingem cuiul din oțel prin centrul recipientului din sticlă sau plastic, pentru a perfora capacul fără a risca sa ne accidentăm. După aceea, dacă este cazul, îndepărtăm toate etichetele de pe recipient.

Înfășurăm folie de aluminiu de jur împrejurul borcanului, astfel încât, pornind din partea de jos a borcanului, să acoperim două treimi din suprafața acestuia. Fixăm folia de aluminiu folosind bandă adezivă sau bandă izolatoare. Este de preferat să instalăm și un fir de descărcare: pentru aceasta, utilizăm un conductor multifilar de 0.75mmp, pe care îl vom dezizola la capete și, apoi, vom lipi unul dintre aceste capete, cu bandă adezivă, pe folia de aluminiu.

Pregătim o soluție salină astfel: dizolvăm două-trei lingurițe de sare în recipientul pe care l-am umplut mai mult de trei sferturi cu apă și amestecăm până la omogenizare. Vom turna sare în recipientul cu apă până în momentul în care, chiar și după ce am amestecat, pe fundul acestuia, se va depune un strat  foarte subțire de sare.

Fixăm capacul și introducem cuiul mai mult asigurându-ne că acesta va atinge apa. Înfășurăm bandă izolatoare de jur împrejurul regiunii de contact dintre capac și recipient pentru a-l fixa mai bine, apoi, utilizând adeziv sub formă de baton de silicon fixăm, cuiul pe capac. Condensatorul nostru este gata pentru a fi încărcat și utilizat.

Putem încarca borcanul Leyden atingând cuiul cu electroforul în timp ce ținem o mână pe folia din aluminiu. Pentru a acumula o sarcină cât mai mare, vom efectua încarcarea de mai multe ori: adică, preluăm cu electroforul sarcină electrică de la bucata de polistiren și apoi o transferăm condensatorului.

Descărcarea se efectuează prin conectarea cuiului din oțel cu folia de aluminiu. Înainte de începerea experimentului, ar fi recomandat să conectați unui dintre cleștii crocodil la cuiul din oțel și celălalt la unul dintre terminalele becului. Aveți grijă ca al doilea crocodil sau vreunul dintre terminalele becului să nu se afle în imediata apropiere a foliei de aluminiu. Dupa ce ați efectuat cincișase încărcări ale codensatorului, apropiați, cu grijă, terminalul liber al becului de folia de aluminiu. Ați reușit să aprindeți becul? Dacă nu ați reușit, îndepărtați becul și repetați experimentul efectuând opt încărcări ale condensatorului. Continuați până când condensatorul va reuși să aprindă becul.

Pentru a observa scântei produse de descărcarea electrică, eliberați cleștele crocodil și îndepărtați becul. Încărcați apoi de 10 – 20 de ori condensatorul. Nu uitați că, din când în când, va trebui să mai frecați bucata de polistiren cu cârpa din lână. După ce veți considera că s-a încărcat suficient condensatorul, apropiați cleștele crocodil, fără să atingeți vreo parte metalică a sa, de folia de aluminiu și veți observa o scânteie, produsă de descărcarea condensatorului. Dacă nu aveți la îndemână fire cu clești crocodil puteți apropia conductorul pe care l-ați lipit pe folia de aluminiu de cuiul din oțel.

Cum funcționează dispozitivele pe care le-am construit? Atunci când frecați placa de polistiren cu cârpa din lână, electronii vor migra către aceasta și placa de polistiren se va încărca negativ. De cele mai multe ori, atunci când o scoatem din pachet, bucata de polistiren este deja electrizată pozitiv, drept urmare, va fi necesar să depunem un efort mai mare pentru a o electriza negativ și acesta este motivul pentru care am insistat ca, la prima electrizare, placa de polistiren să fie frecată cel puțin un minut cu cârpa de lână. În momentul în care plasăm farfuria din aluminiu pe bucata de polistiren, electronii de pe placă îi vor respinge pe aceia de pe farfurie. Din moment ce electronii nu pot părăsi farfuria, întrucât aceasta este înconjurată doar de aer, care este izolator, și de bucata de polistiren, farfuria rămâne neutră din punct de vedere electric. Dacă o veți atinge cu un deget atunci când se află în apropierea bucății de polistiren, atunci electronii liberi vor fi împinși către degetul vostru. Mișcarea, de câțiva milimetri, a electronilor va produce o scânteie, datorată ionizării aerului. După ce electronii liberi au migrat către degetul vostru, farfuria va deveni material încărcat pozitiv și spunem că a fost încărcată prin inducție electrostatică.

În acest moment, puteți folosi farfuria, ținând-o de mânerul izolator (paharul din plastic), pentru a încărca pozitiv alte obiecte. De exemplu, dacă veți apropia din nou degetul de aceasta, va fi produsă o nouă scânteie, deoarece, de data aceasta, farfuria din aluminiu va atrage electronii de pe suprafața degetului. Atunci când farfuria din aluminiu, încărcată pozitiv, atinge cuiul borcanului Leyden, electronii migrează dinspre cui către farfurie. Borcanul Leyden va avea o structură formată dintr-un miez încărcat pozitiv (cuiul împreună cu apa din recipient) separat, prin intermediul plasticului sau sticlei din care este construit recipientul, de folia de aluminiu, încărcată negativ.

Dacă vom efectua o conexiune între cui și folia de aluminiu, datorită forței de atracție dintre sarcinile pozitive și cele negative, va rezulta o scânteie. Avantajul borcanului Leyden este că acesta poate stoca sarcina electrică pe care o primește de fiecare dată când farfuria din aluminiu atinge cuiul, urmând să se descarce atunci când dorim să utilizăm această sarcină.

    Putem testa mai multe tipuri de materiale, pentru a observa care dintre ele este mai eficient pentru polarizarea bucății de polistiren. De exemplu, testați ce se întâmplă dacă înlocuiți cârpa de lână cu o pungă de plastic. Gândiți-vă ce alte materiale puteți utiliza și testați-le eficiența. Testați dacă borcanul Leyden poate fi încărcat și în sens invers: adică, încărcați mai întâi farfuria de aluminiu și apoi apropiați-o de folia de aluminiu a borcanului Leyden.

Articole din această categorie