BOTTIGLIA DI LEIDA: PARTI, OPERAZIONE, ESPERIMENTI - FISICO - 2024

La bottiglia di Leida è una bottiglia o un barattolo di vetro sottile, che contiene un foglio di metallo aderente all'interno e un altro film metallico aderente all'esterno.

È il primo dispositivo elettrico della storia che è servito ad immagazzinare cariche elettriche semplicemente toccandolo, sia dall'asta che dal foglio esterno, con una barra precedentemente caricata per attrito (effetto triboelettrico) o per induzione elettrostatica. È inoltre possibile utilizzare una sorgente di tensione come una cella o una batteria.

Figura 1. La figura mostra una tipica bottiglia di Leida. Il foglio interno è una delle piastre del condensatore e il foglio esterno è l'altra piastra. Fonte: Wikimedia Commons. Ramo

Storia

L'invenzione della bottiglia di Leida è attribuita a Pieter van Musschenbroek, professore di fisica all'Università di Leida nel 1745. Indipendentemente e simultaneamente, l'inventore tedesco Ewald Georg von Kleist riuscì anche a immagazzinare elettricità statica con bottiglie simili, anticipando il Olandese.

Musschenbroek aveva l'aiuto di un avvocato di nome Cunaeus, che aveva invitato nel suo laboratorio a Leida. Questo personaggio sagace fu il primo a notare che la carica si accumulava tenendo la fiala con la mano mentre la barra o l'ago veniva caricata con la macchina elettrostatica.

Dopo che il professor Musschenbroek ha sorpreso tutti con la sua invenzione, il successivo miglioramento sulla bottiglia di Leida, quando il dispositivo è stato finalmente battezzato, è stato realizzato nel 1747 grazie a John Bevis, un medico, ricercatore e, ultimo ma non meno importante, l'astronomo che ha scoperto la Nebulosa del Granchio.

Bevis ha osservato che se si copriva l'esterno della bottiglia con un foglio sottile, non era necessario tenerlo con la mano.

Si rese anche conto che non era necessario riempirlo con acqua o alcool (la bottiglia originale di Musschenbroek era piena di liquido) e che era sufficiente coprire la parete interna della bottiglia con un foglio di metallo a contatto con l'asta che passa attraverso il tappo.

Esperimenti successivi hanno rivelato che più carica si accumulava quando il vetro diventava più sottile e la superficie metallica adiacente più estesa.

Parti

Le parti di una bottiglia di Leida sono mostrate in figura 1. Il vetro funge da isolante o dielettrico tra le piastre, oltre a servire per dare loro il supporto necessario. Le piastre sono generalmente sottili fogli di stagno, alluminio o rame.

Un isolante viene anche utilizzato per realizzare il coperchio del barattolo, ad esempio legno secco, plastica o vetro. Il coperchio è forato da un'asta metallica dalla quale pende una catena che serve a fare contatto elettrico con la placca interna.

Materiali necessari per realizzare la bottiglia di Leida

- Bottiglia di vetro, essendo il più sottile possibile

- Lamina metallica (alluminio, stagno, rame, piombo, argento, oro) per coprire separatamente la parte interna ed esterna della bottiglia.

- Copertura in materiale isolante forato.

- Asta metallica per passare attraverso il coperchio forato e che all'estremità interna ha una catena o un cavo che fa contatto metallico con il foglio interno della bottiglia. L'altra estremità dell'asta termina generalmente in una sfera, per evitare archi elettrici dovuti alle cariche accumulate sulle estremità.

Figura 2. Parti di una bottiglia di Leida. Fonte: Wikimedia Commons.

Funzionamento

Per spiegare l'accumulo di carica elettrica è necessario iniziare stabilendo la differenza tra isolanti e conduttori.

I metalli sono conduttivi perché gli elettroni (portatori di carica negativa elementare) possono muoversi liberamente al loro interno. Il che non significa che il metallo sia sempre carico, anzi rimane neutro quando il numero di elettroni è uguale al numero di protoni.

Al contrario, gli elettroni all'interno degli isolanti mancano della mobilità tipica dei metalli. Tuttavia, sfregando tra diversi materiali isolanti può accadere che gli elettroni dalla superficie di uno di essi passino alla superficie dell'altro.

Tornando alla bottiglia di Leida, in forma semplificata si tratta di un foglio metallico separato da un isolante da un altro foglio conduttivo. La figura 3 mostra uno schema.

Figura 3: diagramma semplificato della bottiglia di Leida e come acquisisce la carica. Fonte: Fanny Zapata.

Supponiamo che la piastra esterna sia collegata a terra, tenendo la mano o tramite un filo. Quando viene avvicinato da un'asta caricata positivamente per sfregamento, l'asta che si collega alla piastra interna diventa polarizzata. Ciò porta ad una separazione delle cariche nell'assieme asta-piastra interna.

Gli elettroni sulla piastra esterna sono attratti dalle cariche positive sulla piastra opposta e più elettroni raggiungono la piastra esterna da terra.

Quando questa connessione viene interrotta, la piastra si carica negativamente e quando l'asta viene separata, la piastra interna si carica positivamente.

Condensatori o condensatori

La bottiglia di Leida è stato il primo condensatore conosciuto. Un condensatore è costituito da due piastre metalliche separate da un isolante e sono ben note in elettricità ed elettronica come elementi di circuito indispensabili.

Il condensatore più semplice è costituito da due piastre piatte di area A separate da una distanza d molto più piccola della dimensione delle piastre.

La capacità C di immagazzinare la carica in un condensatore a piastre piatte è proporzionale all'area A delle piastre e inversamente proporzionale alla distanza d tra le piastre. La costante di proporzionalità è la permettività elettrica ε e sono riassunte nella seguente espressione:

Il condensatore formato dalla bottiglia di Leida può essere approssimato da due piastre cilindriche concentriche con raggio a interno e raggio b per la piastra esterna e altezza L. La differenza dei raggi è proprio lo spessore del vetro d che è la separazione tra le lastre.

La capacità C di un condensatore a piastre cilindriche è data da:

Come si può dedurre da questa espressione, maggiore è la lunghezza L, maggiore è la capacità del dispositivo.

Capacità della bottiglia di Leida

Nel caso in cui lo spessore o la separazione d sia molto inferiore al raggio, la capacità può essere approssimata dall'espressione delle piastre piane come segue:

Nell'espressione precedente p è il perimetro della piastra cilindrica e L è l'altezza.

Indipendentemente dalla forma, la carica massima Q che un condensatore può accumulare è proporzionale alla tensione di carica V, con la capacità C del condensatore che è la costante di proporzionalità.

Q = C ⋅ V

Bottiglia di Leida fatta in casa

Con materiali prontamente disponibili a casa e alcune abilità manuali, puoi emulare il professor Musschenbroek e costruire una bottiglia di Leida. Per questo hai bisogno di:

- 1 barattolo di vetro o plastica, come la maionese.

- 1 guaina isolante in plastica forata attraverso la quale passerà un filo o cavo rigido.

- Strisce rettangolari di carta stagnola da cucina per coprire, attaccare o aderire all'interno e all'esterno del barattolo. È importante che il rivestimento in alluminio non raggiunga il bordo del barattolo, può essere un po 'più alto della metà.

- Un cavo flessibile senza isolamento che viene giuntato all'interno dell'asta, in modo che faccia contatto con la lamina di alluminio che ricopre l'interno della parete della bottiglia.

- Sfera metallica (va sopra il coperchio per evitare l'effetto delle punte).

- Cavo senza isolamento che verrà fissato al foglio di alluminio esterno.

- Righello e forbici.

- Nastro adesivo.

Nota: un'altra versione che evita il lavoro di posizionare il foglio di alluminio all'interno è quella di riempire la bottiglia o il barattolo con una soluzione di acqua e sale, che fungerà da piatto interno.

Processi

Coprire la bottiglia dentro e fuori con le strisce di carta stagnola, se necessario vengono fissate con il nastro adesivo, facendo attenzione a non superare troppo la metà della bottiglia.

- Forare con cautela il tappo per far passare il filo di rame o il cavo senza copertura isolante, per mettere a contatto la lamina di alluminio interna della bottiglia con l'esterno, dove la sfera conduttiva deve essere posta appena sopra il tappo.

- Più filo senza isolamento viene utilizzato per legare il rivestimento esterno e creare una sorta di maniglia. L'intero assieme dovrebbe assomigliare a quello mostrato nelle figure 1 e 4.

Figura 4. Bottiglia di Leida. Fonte: F. Zapata.

esperimenti

Una volta costruita la bottiglia di Leida, puoi sperimentarla:

Esperimento 1

Se hai una vecchia TV o un monitor con uno schermo a raggi catodici, puoi usarlo per caricare la bottiglia. Per fare ciò, tenere la bottiglia con una mano per la piastra esterna, avvicinando il cavo che si collega alla parte interna e toccando lo schermo.

Il cavo legato all'esterno dovrebbe essere vicino al cavo proveniente dall'interno della bottiglia. Notare che si verifica una scintilla, che mostra che la bottiglia si è caricata elettricamente.

Esperimento 2

Se non hai uno schermo adatto, puoi caricare la bottiglia di Leida tenendola vicino a un panno di lana che hai appena preso dall'asciugatrice. Un'altra opzione per la fonte di ricarica è prendere un pezzo di tubo di plastica (PVC) che è stato precedentemente levigato per rimuovere grasso e vernice. Strofina il tubo con un tovagliolo di carta finché non è sufficientemente carico.

Riferimenti

1. Bottiglia di Leida. Estratto da: es.wikipedia.org
2. Strumenti elettrici. Vaso di Leida. Estratto da: Brittanica.com
3. Endesa educa. Esperimento: bottiglia di Leida. Estratto da: youtube.com.
4. Vaso di Leida. Estratto da: en.wikipedia.org.
5. La fisica del vaso di Leida in "MacGyver". Estratto da: wired.com
6. Tippens, P. Fisica: concetti e applicazioni. 516-523.