Butelka lejdejska i kondensatorspis treści

Kondensator służy do gromadzenia ładunków elektrycznych. W praktyce laboratorium szkolnego, używamy przede wszystkim kondensatorów wysokonapięciowych o bardzo małych pojemnościach. Najczęściej wykorzystywanym i prawdopodobnie najwcześniej znanym jest butelka lejdejska – kondensator w którym role izolatora pełni szklane naczynie a okładkami jest folia metalowa. Wewnętrzną okładką może być także elektrolit – na przykład roztwór soli kuchennej.

Zasada działania

Kondensator tworzą zazwyczaj dwa przewodniki umieszczone w niewielkiej odległości i odizolowane od siebie. Ładunki elektryczne zgromadzony na tych przewodnikach oddziałują siłami elektrostatycznymi pozwalając na zgromadzenie pewnej energii elektrycznej. Energia t może być wyzwolona w jednym momencie.

Rys. 1 Zasada działania kondensatora oraz jego symbol używany na schematach elektrycznych. 1: okładki kondensatora; 2: linie pola elektrycznego

Kondensatory często towarzyszą maszynom elektrostatycznym pozwalając zgromadzić spory ładunek i wzmocnić uzyskiwaną iskrę elektryczną.

Spis elementów

Element cena szt. dostępność
Płyty szklane o grubości 2mm 20x30cm4 zł13Zakład szklarski
Płyta z pleksi o grubości 10-12mm 20x20cm15 zł1Firma reklamowa
Filia aluminiowa4 zł1Sklep AGD
Gumki do zmazywania0,50 zł4Sklep papierniczy
Klej cjanoakrylowy (Supeglue lub Kropelka)2 zł1Sklep papierniczy
Plastikowe pudełko po musztardzie?1Sklep spożywczy
Gwóźdź0,30 zł1Market budowlany
Przewód miedziany3 zł0,2 mSklep elektryczny
Listwa aluminiowa8 zł0.7 mMarket budowlany
Listwa maskująca z białego PCV (ceownik 20mm)6 zł1 mMarket budowlany

Budowa

W Naszym laboratorium przyda się kilka typów kondensatorów: butelka lejdejska, model kondensatora oraz kondensator płytowy o relatywnie dużej pojemności. W praktyce szkolnej bardzo dobrze sprawdzają się butelki lejdejskie używane zazwyczaj z maszyną elektrostatyczną. Taką butelkę można przygotować z plastikowego pudełka po musztardzie (najlepsze są pudełka po najtańszej musztardzie lub szklanki po maśle orzechowym). Pudełko takie oklejamy z zewnątrz folią aluminiowa przyklejając ją klejem cjanoakrylowym. Wystarczy przykleić krawędź i dodatkowo kilkoma kroplami w różnych punktach na powierzchni pudełka. Ponieważ przy krawędziach przewodnika przy wysokich napięciach następuje silna jonizacja i emisja elektronów – należy pozostawić górne 1/3 wysokości – nie oklejone. Pasek folii powinien być nieco dłuższy tak by zagięty pokrywał całe dno pudełka. Podobnie oklejamy wnętrze, z tym że tu lepiej oddzielnie przygotować dno wycinając krążek folii o średnicy nieco większej niż dno pudełka i przyklejając go zagiąć brzegi tak by dotykały do folii przyklejonej wewnątrz pudełka. W środku przykrywki wiercimy niewielki otwór w który wciskamy lub wklejamy gwóźdź, wkręt lub śrubkę do której przymocowujemy odizolowany przewód. Najlepsze są przewody z linki składającej się z kilkunastu cienkich nie izolowanych przewodów. Po zdjęciu igielitowej osłony skręcamy druciki na odcinku 5 cm i zawijamy wokół gwoździa. Resztę umieszczamy tak by po zamknięciu pudełka przykrywką przewody dotykały do wewnętrznej folii.

Rys. 2. Butelka lejdejska i model kondensatora. 1. wieczko; 2. gwóźdź; 3. plastikowe pudełko po musztardzie; 4. drut miedziany lub łańcuszek; 5. wewnętrzna okładka z folii aluminiowej; 6. okładka zewnętrzna; 7. płyta szklana; 8. okładka kondensatora z folii aluminiowej.

Kolejnym przydatnym przyrządem jest model kondensatora pozwalający na pokazanie jak zmieniają się właściwości kondensatora przy zmianie odległości między okładkami i przy wprowadzaniu materiału izolacyjnego między okładki. Typowy szkolny kondensator modelowy jest wykonany z okrągłych metalowych tarcz. Jest to o tyle niewygodne, ze tarcze te musza być umieszczone na statywie.

Takie same rezultaty można osiągnąć przy pomocy kondensatora przygotowanego z folii aluminiowej naklejonej na kawałki szyby. Szyba powinna być nieco większa od okładek, tak by można było umieścić na niej jeszcze podstawki pozwalające na utrzymanie drugiej, takiej samej okładki kondensatora. Jako podstawki najlepiej użyć gumek do mazania. Jeśli mają one boki o trzech różnych rozmiarach – można będzie wybierać pomiędzy trzema różnymi odległościami okładek.

Aby przygotować taki kondensator naklejamy koło wycięte z folii aluminiowej. Jako wzorzec można użyć talerzyka deserowego. Przy wycinaniu zostawiamy pasek folii której będzie służył jako kontakt. Po przyklejeniu koła z folii zaginamy pasek za krawędź szuby i doklejamy. Zakończenie paska warto obciąć na okrągło, by zmniejszyć emisje z ostrych końców folii. W czasie doświadczeń pomiędzy okładki możemy wsuwać różne materiały izolacyjne (na przykład płytkę z pleksi) by pokazać jak zmienia się napięcie na okładkach kondensatora lub jak zmienia się jego zdolność do gromadzenia ładunku.

Do demonstrowania działania większych ładunków, warto przygotować sobie szklany kondensator płytowy. Kondensator taki ma stosunkowo dużą pojemność i użycie go z maszyną lub generatorem elektrostatycznym może prowadzić do niebezpiecznych porażeń. Pozwala on jednak na wytworzenie w szkolnym laboratorium mocnych i jasnych iskier, więc wydaje się celowe przygotowanie takiego kondensatora.

 

Rys. 3. Kondensator płytowy. Jako izolator użyto tafli szklanych. Folia aluminiowa stanowiąca okładki kondensatora dotyka listew aluminiowych stanowiących wyprowadzenia. Poszczególne warstwy folii odizolowane płytami szklanymi na przemian dotykają jednej lub drugiej listwy. Całość jest przytrzymana odcinkami listwy maskującej.

Do przygotowania potrzebujemy kilka lub kilkanaście płyt szklanych o takich samych rozmiarach i niewielkiej grubości. Im więcej płyt i im większa jest ich powierzchnia – tym większa będzie pojemność kondensatora. Im większa będzie ich grubość – tym pojemność będzie mniejsza, lecz także będzie on bardziej wytrzymały na wysokie napięcia. Można użyć także płyt z pleksi które przy tych samych rozmiarach gwarantuje uzyskanie większej pojemności, jednak jest ono trudniej dostępne i mniej odporne. Mechaniczne połączenie płyt można wykonać przygotowując odpowiednią ramę, jednak całkiem dobrze sprawiają się poprzycinane listwy maskujące z PCV dostępne w marketach budowlanych. Należy tylko zadbać by pakiet szklanych płyt mieścił się ciasno w takim profilu. Uzyskujemy wtedy kondensator który łatwo rozmontować by pokazać jego konstrukcję.

Rys. 4. Schemat budowy kondensatora płytowego. a) listwa aluminiowa lub miedziana; b) ceownik z PCV; c) szyba; d) okładka z folii aluminiowej

Na spód stosu kładziemy jedną płytę szklaną a następnie kładziemy na niej pasek folii aluminiowej tak przycięty, by z trzech boków zostawiał około 2-3cm wolnej tafli szklanej. Z trzeciego boku, zostawiamy około centymetra folii sięgającej poza szkło, tak by mogło się kontaktować z zewnętrznym kontaktem. Na folię kładziemy szybę a następnie druga okładkę, tym razem zostawiając centymetrowy pasek folii z drugiej strony. Na to kolejną warstwę szkła i tak aż do uzyskania sterty która będzie ciasno wchodziła w przygotowane profile z PCV. Po założeniu górnej i dolnej szyny. Zaginamy folię wystająca z boku i po przyłożeniu do niej listew aluminiowych lub miedzianych – przycinamy i dociskamy bocznymi ceownikami z PCV.

Pamiętajmy że wszystkie krawędzie i rogi powinny być zaokrąglone by uniknąć ucieczki ładunku.