بطری لیدن: نخستین خازن جهان
تاریخچه و کشف اتفاقی
داستان بطری لیدن به حدود سال 1745 میلادی بازمی‌گردد. در آن زمان، دانشمندان زیادی روی پدیده‌ی برق3 کار می‌کردند. یکی از این افراد، پیتر فان ماشنبروک4، استاد دانشگاه لیدن5 در هلند بود. او در حال انجام آزمایشی با یک مولد الکترواستاتیک6 ساده بود. این مولد معمولاً یک گوی شیشه‌ای چرخانی بود که با مالش دست، باردار می‌شد.
ماشنبروک می‌خواست بداند آیا می‌توان این «برق» را در یک ظرف ذخیره کرد. او یک بطری شیشه‌ای را پر از آب کرد و یک سیم مسی را از درپوش چوبپنبه‌ای آن عبور داد به طوری که یک سر سیم داخل آب و سر دیگر آن به مولد الکترواستاتیک وصل بود. هنگامی که او با یک دست بطری را نگه داشت و با دست دیگر به سیم فلزی نزدیک شد، یک شوک ناگهانی و قوی احساس کرد! این شوک، اثبات می‌کرد که بار الکتریکی می‌تواند برای مدتی در این دستگاه ذخیره شود و سپس در یک آن آزاد گردد. این وسیله‌ی ساده، به افتخار شهر لیدن، «بطری لیدن» نام گرفت.
اجزای تشکیل‌دهنده و ساختار داخلی
یک بطری لیدن کلاسیک از سه بخش اصلی تشکیل شده است. درک این اجزا برای فهمیدن چگونگی ذخیره‌سازی بار بسیار مهم است.
| ردیف | نام جزء | توضیح و عملکرد |
|---|---|---|
| 1 | ظرف شیشه‌ای (عایق)7 | جداره نارسانا که دو صفحه هادی را از هم جدا می‌کند و مانع از تخلیه فوری بار می‌شود. |
| 2 | صفحات هادی8 | دو لایه هادی: یکی در داخل (مانند آب یا فویل) و دیگری در سطح خارجی بطری (مانند دست شخص). این صفحات بار را نگه می‌دارند. |
| 3 | الکترود مرکزی | یک میله یا سیم فلزی که از درپوش عایق عبور کرده و صفحه هادی داخلی را به منبع بار متصل می‌کند. |
به زبان ساده، بطری لیدن مانند یک «سپر ذخیره‌ی برق» عمل می‌کند. دو صفحه هادی مانند دو طرف این سپر هستند و شیشه بین آن‌ها مانند ضخامت سپر است که مانع از نفوذ (تخلیه) می‌شود.
اصول علمی و نحوه کارکرد
برای درک چگونگی کار بطری لیدن، باید با مفهوم میدان الکتریکی9 آشنا شویم. هنگامی که به صفحه داخلی بار مثبت می‌دهیم، این بار، بارهای منفی روی صفحه خارجی را جذب می‌کند. عایق شیشه‌ای مانع از حرکت این بارها به سمت یکدیگر می‌شود. در نتیجه، یک میدان الکتریکی قوی در داخل شیشه ایجاد می‌شود. این میدان، در واقع شکل ذخیره‌شده‌ی انرژی است.
تخلیه الکتریکی زمانی رخ می‌دهد که یک مسیر هادی (مانند دست فرد یا یک سیم) بین دو صفحه داخلی و خارجی ایجاد شود. بارهای مثبت و منفی با شدت زیادی به سمت هم می‌شتابند تا خود را خنثی کنند و در این مسیر، یک جرقه و صدای ترق ایجاد می‌کنند. این فرآیند بسیار سریع است.
ساخت یک بطری لیدن ساده در خانه
شما می‌توانید برای درک بهتر این مفهوم، یک مدل ساده و ایمن از بطری لیدن بسازید. این آزمایش را حتماً تحت نظارت یک بزرگ‌تر انجام دهید.
مواد مورد نیاز: یک شیشه پلاستیکی یا شیشه‌ای کوچک و تمیز، یک تکه فویل آلومینیومی، یک میله فلزی (مانند میخ بلند یا سیم مسی)، یک تکه سیم و یک بادکنک.
روش ساخت:
- حدود دو سوم سطح بیرونی شیشه را با فویل آلومینیومی بپوشانید. این همان صفحه خارجی خازن شماست.
- داخل شیشه را نیز با فویل پر کنید یا از آب استفاده نمایید (صفحه داخلی).
- میله فلزی را از درپوش پلاستیکی یا چوبپنبه‌ای شیشه عبور دهید، طوری که یک سر آن به فویل داخل شیشه تماس داشته باشد و سر دیگر آن بیرون باشد.
- حالا برای شارژ کردن آن، بادکنک را به موهای خود مالش دهید تا دارای بار استاتیک شود. سپس بادکنک را به سر میله فلزی خارج از شیشه نزدیک کنید. این کار بار الکتریکی را به صفحه داخلی منتقل می‌کند.
- برای تخلیه، یک سر سیم را به فویل بیرونی شیشه و سر دیگر آن را به میله فلزی بالایی وصل کنید. ممکن است یک جرقه کوچک ببینید یا صدای ترق کوچکی بشنوید!
این آزمایش به خوبی نشان می‌دهد که چگونه انرژی در یک وسیله ساده ذخیره و سپس آزاد می‌شود.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاورقی
1 Leyden Jar - 2 Capacitor - 3 Electricity - 4 Pieter van Musschenbroek - 5 Leiden - 6 Electrostatic Generator - 7 Insulator - 8 Conductive Plates - 9 Electric Field