La physique du pot Leyden - MacGyver, WIRED
Clive Streeter / Getty Images
Dans un épisode récent de MacGyver, Angus (qui # x27; s ce que ses amis l'appellent vraiment près) construit un pot Leyden avec des composants très simples. Bien sûr, il y a une physique impressionnant ici, donc je vais évidemment aller à ce sujet. divulgation-I complète # de x27, m actuellement Consultez technique pour le spectacle de MacGyver.
Qu'est-ce qu'un pot de Leyden?
Il y a longtemps, les humains commençaient à peine à comprendre cette chose en particulier toute l'électricité de l'étude electrostatics. Le pot Leyden a été utilisé pour stocker une charge électrique après un objet frotté est chargé (comme vos chaussettes dans le sèche-linge). Il y avait deux variations communes du pot Leyden, laissez-moi illustrer à la fois.
Pour la version 1, il y a deux pièces de métal autour d'une tasse en verre. Un morceau de métal se trouve à l'intérieur de la coupelle et une est à l'extérieur. Cependant, pour la version 2 du métal à l'intérieur est remplacée par l'eau. Oui, vous pouvez remplacer le métal avec de l'eau aussi longtemps que l'eau est un conducteur électrique. La plupart de l'eau conduit l'électricité, mais vous pouvez ajouter un peu de sel juste pour être sûr.
Dans cet exemple, il y a une charge de + Q sur une plaque (et - Q de l'autre) avec une différence de potentiel électrique de AV. Le rapport de la charge (sur une seule plaque) à la différence de potentiel est défini comme la capacité de telle sorte que. Les unités de capacité est le Farad.
Cependant, il se trouve que la valeur de la capacité dépend uniquement de la configuration physique du dispositif. Dans ce cas, cela signifie que la taille des plaques, leur distance de séparation et la matière qui se trouve entre eux. Pour un condensateur à plaques parallèles (comme ci-dessus) la capacité peut être calculée comme suit:
La zone du condensateur est A et d est la distance entre les plaques. La variable ε (epsilon) est appelée la permittivité et il dépend du type de matériau entre les plaques.
Comment pouvez-vous faire un pot Leyden?
Je suppose que vous pouvez comprendre cela par la façon dont cela fonctionne, mais encore, laissez-moi vous montrer comment faire un. Voici une vidéo que je fait pour aller avec cet épisode de MacGyver qui vous guide à travers cette construction.
Permettez-moi de souligner que faire des vidéos comme celui-ci est l'une des meilleures parties de travailler avec les écrivains MacGyver comme consultant technique pour le spectacle. La plupart des hacks dans MacGyver est au moins scientifiquement plausible mais beaucoup d'entre eux vous shouldn # x27; t essayer à la maison (comme sauter d'une fenêtre de trois étages avec un extincteur et un sac de corps). D'autres hacks pourraient avoir une version maison qui # x27; s ce que vous obtenez ici. Tout le monde doit jouer avec des choses à un moment donné.
Que pouvez-vous faire avec ce pot Leyden? Que diriez-vous faire une étincelle? Tout d'abord, la terre, il (soit le maintenir ou le relier à la terre), puis frotter quelque chose pour obtenir une charge (en plastique sur les travaux de laine). Touchez ce plastique au métal au milieu et répéter jusqu'à ce que vous vous sentez fatigué. Maintenant, mettre un fil de la feuille extérieure à l'ongle métallique au milieu et vous devriez obtenir une belle étincelle. Ici # x27; s une petite étincelle un jour humide (si elle # x27; s il fonctionne mieux sec).
Si vous préférez choquer quelqu'un, ok, mais ça fait mal en quelque sorte.
Quelle est la capacité d'un pot Leyden?
Il pourrait sembler que vous pouvez simplement mesurer la valeur d'un condensateur aussi facilement que vous pourriez trouver la résistance d'une résistance. Eh bien, il # x27; s pas tout à fait aussi simple que cela. La plupart des multimètres que vous verrez ne mesurent pas directement la capacité, mais il y a certains qui le font. Comment ça marche? I # x27; ne vais pas expliquer en ce moment, mais je reviendrai avec un autre poste qui ressemble à trouver la valeur d'un condensateur. Pour l'instant, je # x27; vais juste utiliser l'un des meilleurs multimètres.
Voici mon pot Leyden réelle. Dans ce cas, j'utilisé une bouteille d'eau au lieu d'un gobelet en plastique comme on le voit dans la vidéo.
Le multimètre donne une valeur de capacité de 1,17 nF (nano Farads) ou 1,17 x 10 -9 farads. Est-ce même valeur légitime? Et si je suppose que la feuille enroulée autour de la bouteille est comme un condensateur-il à plaques parallèles de type est si vous le déballer. Dans ce cas, je peux estimer la valeur de capacité et comparer la au compteur # x27; la valeur de.
Cette bouteille d'eau en particulier a une hauteur d'environ 10 cm et un diamètre de 5,5 cm. Cela signifie que si je déployé la feuille, il faudrait une surface de 0,1 m par 0,055 m ou 0,0055 m 2. L'eau à l'intérieur de la bouteille a approximativement la même zone. Maintenant, ce que la séparation entre les plaques? Je # x27; vais juste estimer à peu près cela avec une valeur de 2 mm (0,002 mètres). Je crois que le plastique a une permittivité relative de 2,0. En utilisant ces valeurs, je reçois une capacité de 0,049 nFarads. Ok, donc soit mon épaisseur de la bouteille est loin ou ce compteur ISN # x27; t donnant une valeur très précise (ou les deux).
Combien d'énergie est stocké dans le pot Leyden?
J'ai une valeur pour la capacité (je vais utiliser la valeur du multimètre). Mais qu'en est-la tension? Ici # x27; s où je peux utiliser un grand tour. L'air a une valeur de répartition du champ électrique de l'ordre de 3 x 10 6 volts par mètre. Ceci est la valeur du champ électrique dans l'air à laquelle il passe d'un isolant à un conducteur. Si je peux estimer la longueur de l'étincelle, je peux l'utiliser pour obtenir la valeur de la tension du condensateur. Laissez # x27; s dire l'étincelle était de 3 mm, ce qui donnerait une tension de 9000 volts.
Maintenant, je dois juste brancher sur l'équation d'énergie et je reçois une énergie stockée de 0,05 joules. Ce # x27, pas grand chose, mais il y a quelque chose. Je # x27; suis assez sûr que vous pouvez charger une Leyden pour obtenir une étincelle beaucoup plus grand (probablement plus d'un centimètre) avec une énergie beaucoup plus élevée.
Il y a trop de questions laissées sans réponse. Voici une liste de questions pour vous (ou moi).
- Construire un pot Leyden et mesurer la capacité. Don # x27; t utiliser un multimètre.
- Que faire si vous prenez un pot de Leyden et de mesurer la capacité. Maintenant, enlevez la moitié de la feuille d'aluminium. Que faut-il à la valeur de la capacité? Maintenant, mesurer et voir ce qui se passe.
- Construire deux pots Leyden. Mettez en série, ne la valeur attendue du condensateur se rapprocher de la valeur mesurée? Qu'en est-il de deux pots en parallèle?
- Pouvez-vous utiliser un pot Leyden pour charger un autre?
- Utiliser une balance à ressort ou la force sonde pour estimer la force nécessaire de frotter une tige en plastique avec de la laine. Maintenant estimer l'énergie un être humain met en charge cette tige. Comment l'énergie humaine à comparer l'énergie stockée dans le pot Leyden?
- Dériver l'expression de l'énergie stockée dans un condensateur.
- Calculer la capacité d'un condensateur cylindrique (au lieu d'une plaque parallèle).
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