Die Physik der Leidener Flasche in - MacGyver, WIRED
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In einer aktuellen Folge von MacGyver, Angus (das # x27; s, was seine wirklich enge Freunde ihn nennen) eine Leidener Flasche mit einigen sehr einfachen Komponenten aufbaut. Natürlich gibt es einige fantastische Physik hier, also werde ich natürlich übergehen. Vollständige Offenlegung-I # x27; m zur Zeit der Technischen für die MacGyver Show Consult.
Was ist ein Leyden Jar?
Vor langer Zeit, begannen die Menschen nur das Studium der Elektrostatik dieses ganzen Elektrizität Ding insbesondere herauszufinden. Die Leidener Flasche wurde ursprünglich verwendet, um elektrische Ladung zu speichern, nachdem einige gerieben Objekt (wie Ihre Socken im Trockner) geladen ist. Es gab zwei gemeinsame Variationen der Leidener Flasche, lassen Sie mich beide illustrieren.
Für Variante 1 werden zwei Metallstücke um eine Glasschale. Ein Stück Metall sitzt innerhalb der Schale und eine an der Außenseite. Doch für die Version 2 der Innen Metall wird durch Wasser ersetzt. Ja, können Sie das Metall mit Wasser ersetzen, solange das Wasser ein elektrischer Leiter ist. Das meiste Wasser leitet Strom, aber man konnte ein wenig Salz hinzufügen, nur um sicher zu machen.
In diesem Beispiel ist es eine Ladung von + Q auf einer Platte (und - Q auf dem anderen) mit einer elektrischen Potentialdifferenz von & Delta; V. Das Verhältnis von Ladung (auf eine Platte nur) an die Potentialdifferenz ist, daß, wenn die Kapazität so definiert. Die Einheiten für Kapazität ist das Farad.
Es stellt sich jedoch heraus, dass der Wert der Kapazität hängt nur von der physikalischen Konfiguration der Vorrichtung. In diesem Fall, dass die Größe der Platten bedeutet, dessen Abstand seperation und das Material, das zwischen ihnen ist. Für einen Parallelplattenkondensator (wie oben), kann die Kapazität wie folgt berechnet:
Die Fläche des Kondensators ist, A und D ist der Abstand zwischen den Platten. Die Variable ε (Epsilon) ist die Permittivität und es hängt von der Art des Materials zwischen den Platten genannt.
Wie kann man einen Leyden Jar machen?
Ich denke, man kann dies herauszufinden, durch, wie es funktioniert, aber immer noch, lassen Sie mich Ihnen zeigen, wie man machen. Hier ist ein Video, das ich gemacht mit dieser Episode von MacGyver zu gehen zusammen, die Sie durch diesen Build geht.
Lassen Sie mich darauf hinweisen, dass Videos wie dieses ist einer der besten Teile der Arbeit mit den MacGyver Autoren als Technischer Berater für die Show zu machen. Die meisten der Hacks in MacGyver ist zumindest wissenschaftlich plausibel, aber viele von ihnen shouldn Sie # x27; t zu Hause versuchen (wie mit einem Feuerlöscher aus einem dreistöckigen Fenster springen und einen Leichensack). Andere Hacks könnte ein hausversions dass haben # x27; s, was Sie hier. Jeder sollte irgendwann mit Sachen spielen.
Was können Sie mit dieser Leidener Flasche tun? Wie wäre es, einen Funken zu machen? Zuerst erdet (entweder halten oder sie zu Boden verbinden) und dann etwas reibt eine Ladung (Kunststoff auf Wolle Arbeit) zu erhalten. Berühren Sie diesen Kunststoff an das Metall in der Mitte, und wiederholen Sie dies, bis Sie müde werden. bringen Sie nun einen Draht von der Außenfolie auf den Metallnagel in der Mitte, und Sie sollten einen schönen Funken bekommen. Hier # x27; s einen kleinen Funken an einem feuchten Tag (wenn es # x27; s trocken es besser funktioniert).
Wenn Sie jemanden schocken bevorzugen, ok, aber es tut weh Art.
Was ist die Kapazität eines Leyden Jar?
Es könnte scheinen, wie Sie nur den Wert eines Kondensators messen könnte so einfach wie Sie den Widerstand eines Widerstandes gefunden. Nun, es # x27; s nicht ganz so einfach. Die meisten der Multi, die Sie nicht direkt sehen messen kapazitäts aber es gibt einige, die tun. Wie funktioniert es? I # x27; würde nicht erklären, dass gerade jetzt, aber ich werde mit einem anderen Beitrag zurückkommen, die bei der Suche nach dem Wert eines Kondensators aussieht. Vorerst I # x27; werde nur eine der besseren Multi verwenden.
Hier ist meine eigentliche Leidener Flasche. In diesem Fall verwenden ich eine Wasserflasche statt einen Kunststoffbecher, wie in dem Video zu sehen.
Das Multimeter ergibt einen Kapazitätswert von 1,17 nF (nano Farad) oder 1,17 x 10 -9 Farad. Ist dieser Wert sogar echt? Was passiert, wenn ich davon ausgehen, dass die Folie um die Flasche herum wie ein Kondensator-es ist eine Art parallele Platte ist, wenn Sie es auspacken. In diesem Fall kann ich den Kapazitätswert abzuschätzen und zu vergleichen, die an das Messgerät # x27; s Wert.
Diese besondere Wasserflasche hat eine Höhe von etwa 10 cm und einen Durchmesser von 5,5 cm. Das bedeutet, dass, wenn ich die Folie ausgerollt, wäre es eine Fläche von 0,1 m von 0,055 M oder 0,0055 m 2. Das Innere Wasser in der Flasche hat in etwa die gleiche Fläche. Nun, was die Trennung zwischen den Platten? I # x27; würde nur etwa so schätzen, mit einem Wert von 2 mm (0.002 Metern). Ich denke, dass Kunststoff eine relative Dielektrizitätskonstante von 2,0 aufweist. Mit diesen Werten, erhalte ich eine Kapazität von 0.049 nFarads. Ok, also entweder meine Flasche Dicke Weise weg oder dieser Meter isn # x27; t einen sehr genauen Wert zu geben (oder beides).
Wie viel Energie wird in der Leyden Jar gespeichert?
Ich habe einen Wert für die Kapazität (Ich werde den Wert aus dem Multimeter verwenden). Aber was ist die Spannung? Hier # x27; s, wo ich einen großen Trick verwenden kann. Luft hat einen elektrischen Felddurchbruchswert von etwa 3 x 10 6 Volt pro Meter. Dies ist der Wert des elektrischen Feldes in der Luft, bei der es schaltet von einem Isolator zu einem Leiter. Wenn ich die Länge der Funken abschätzen kann, das kann ich, um den Wert der Kondensatorspannung zu erhalten. # X27 lassen; s sagen, dass der Funke war 3 mm, das eine Spannung von 9.000 Volt geben würde.
Jetzt muss ich das nur Stecker in die Energiegleichung und ich bekomme eine gespeicherte Energie von 0,05 Joule. Das # x27; s nicht viel, aber es ist etwas. I # x27; m ziemlich sicher, dass Sie eine Leyden aufladen kann eine viel größere Funken (wahrscheinlich über einen Zentimeter) mit einer viel höheren Energie zu bekommen.
Es gibt zu viele Fragen offen. Hier ist eine Liste von Fragen für Sie (oder mich).
- Bauen Sie ein Glas von Leyden und die Kapazität messen. Don # x27; t mit einem Multimeter.
- Was passiert, wenn Sie eine Leidener Flasche nehmen und die Kapazität messen. Nun Hälfte der Aluminiumfolie entfernen. Was ist mit dem Wert der Kapazität passieren sollte? messen Sie es jetzt und sehen, was passiert.
- Baue zwei Leidener Flaschen. Setzen Sie sie in Serie, wird der erwartete Wert des Kondensators der Nähe des Messwertes kommen? Was ist mit zwei Gläsern parallel?
- Können Sie eine Leidener Flasche verwenden ein anderes zu laden?
- eine Federwaage verwenden oder Sondenkraft, die Kraft zu schätzen, muß einen Kunststoffstab mit Wolle reiben. Nun schätzen die Energie, die ein Mensch in Lade diesen Stab setzt. Wie funktioniert die menschliche Energie auf die Energie in der Leidener Flasche gespeichert vergleichen?
- Man leitet den Ausdruck für die in einem Kondensator gespeicherte Energie.
- Berechnen der Kapazität eines zylindrischen Kondensators (anstelle einer parallelen Platte).
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