LEYDEN CHAI: CÁC BỘ PHẬN, HOẠT ĐỘNG, THÍ NGHIỆM - VẬT LÝ - 2025

Các chai Leyden là một chai thủy tinh mỏng hoặc jar, trong đó có một lá kim loại phù hợp chặt ở bên trong và một bộ phim kim loại bó sát ở bên ngoài.

Đây là thiết bị điện đầu tiên trong lịch sử dùng để lưu trữ điện tích chỉ bằng cách chạm vào nó, bằng thanh hoặc bằng tấm bên ngoài, với một thanh trước đó đã được tích điện bằng ma sát (hiệu ứng ba điện) hoặc bằng cảm ứng tĩnh điện. Cũng có thể sử dụng nguồn điện áp như cell hoặc pin.

Hình 1. Hình minh họa một chai Leyden điển hình. Tấm bên trong là một trong các bản tụ điện và tấm bên ngoài là bản kia. Nguồn: Wikimedia Commons. Chi nhánh

Lịch sử

Phát minh ra chai Leyden được ghi nhận bởi Pieter van Musschenbroek, Giáo sư Vật lý tại Đại học Leyden vào năm 1745. Một cách độc lập và đồng thời, nhà phát minh người Đức Ewald Georg von Kleist cũng đã tìm cách lưu trữ tĩnh điện bằng những chai tương tự, dự đoán Tiếng Hà Lan.

Musschenbroek được sự giúp đỡ của một luật sư tên là Cunaeus, người mà ông đã mời đến phòng thí nghiệm của mình ở Leyden. Nhân vật lém lỉnh này là người đầu tiên nhận thấy rằng điện tích được tích tụ khi cầm lọ bằng tay trong khi thanh hoặc kim được sạc bằng máy tĩnh điện.

Sau khi Giáo sư Musschenbroek làm mọi người ngạc nhiên với phát minh của mình, cải tiến tiếp theo trên chai Leyden, vì thiết bị cuối cùng được đặt tên thánh, được thực hiện vào năm 1747 nhờ John Bevis, một bác sĩ, nhà nghiên cứu và cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng là nhà thiên văn học đã phát hiện ra Tinh vân Con cua.

Bevis quan sát thấy rằng nếu bạn phủ bên ngoài chai bằng một tấm mỏng thì không cần phải cầm bằng tay.

Ông cũng nhận ra rằng không cần thiết phải đổ đầy nước hoặc cồn (chai Musschenbroek ban đầu chứa đầy chất lỏng) và chỉ cần phủ lá kim loại lên thành trong của chai bằng lá kim loại tiếp xúc với thanh đi qua nút chai.

Các thí nghiệm sau đó cho thấy rằng điện tích tích tụ nhiều hơn khi kính trở nên mỏng hơn và bề mặt kim loại lân cận rộng hơn.

Các bộ phận

Các bộ phận của chai Leyden được thể hiện trong hình 1. Thủy tinh đóng vai trò như một chất cách điện hoặc chất điện môi giữa các tấm, ngoài ra còn dùng để hỗ trợ chúng cần thiết. Các tấm này thường là những tấm mỏng bằng thiếc, nhôm hoặc đồng.

Chất cách điện cũng được dùng để làm nắp lọ, ví dụ như gỗ khô, nhựa hoặc thủy tinh. Vỏ được xuyên qua bởi một thanh kim loại mà từ đó một chuỗi được treo để tiếp xúc điện với tấm bên trong.

Vật liệu cần thiết để làm Leyden Bottle

- Chai thủy tinh, càng mỏng càng tốt

- Lá kim loại (nhôm, thiếc, đồng, chì, bạc, vàng) để bọc riêng phần bên trong và bên ngoài của bình.

- Vỏ bọc vật liệu cách điện đã được khoan.

- Thanh kim loại đi qua nắp đục lỗ và ở đầu bên trong có dây xích hoặc dây cáp để kim loại tiếp xúc với tấm trong của chai. Đầu kia của thanh thường kết thúc bằng hình cầu, để tránh các vòng cung điện do các điện tích tích tụ ở hai đầu.

Hình 2. Các bộ phận của chai Leyden. Nguồn: Wikimedia Commons.

Chức năng

Để giải thích sự tích tụ điện tích, cần phải bắt đầu bằng cách thiết lập sự khác biệt giữa chất cách điện và chất dẫn điện.

Kim loại dẫn điện vì các electron (hạt mang điện tích âm của nguyên tố) có thể chuyển động tự do bên trong chúng. Điều đó không có nghĩa là kim loại luôn mang điện, trong thực tế kim loại vẫn trung hòa khi số electron bằng số proton.

Ngược lại, các electron bên trong chất cách điện thiếu tính linh động điển hình của kim loại. Tuy nhiên, bằng cách cọ xát giữa các vật liệu cách điện khác nhau, có thể xảy ra trường hợp các electron từ bề mặt của một trong số chúng truyền sang bề mặt của chúng khác.

Trở lại với chai Leyden, ở dạng đơn giản, nó là một lá kim loại được ngăn cách bằng chất cách điện từ một lá dẫn điện khác. Hình 3 cho thấy một giản đồ.

Hình 3: Sơ đồ đơn giản của chai Leyden và cách nó thu được điện tích. Nguồn: Fanny Zapata.

Giả sử tấm bên ngoài được nối đất, cầm bằng tay hoặc bằng dây. Khi tiếp cận một thanh đã nhiễm điện dương do cọ xát, thanh nối với bản bên trong trở nên phân cực. Điều này dẫn đến sự phân tách các điện tích trong cụm tấm bên trong thanh.

Các êlectron ở bản ngoài bị hút vào các điện tích dương ở bản đối diện và nhiều êlectron đến được bản ngoài cùng từ mặt đất.

Khi kết nối này bị phá vỡ, tấm kim loại trở nên tích điện âm và khi thanh bị tách ra, tấm bên trong trở nên tích điện dương.

Tụ điện hoặc tụ điện

Chai Leyden là tụ điện đầu tiên được biết đến. Tụ điện bao gồm hai tấm kim loại được ngăn cách bởi một chất cách điện và chúng được biết đến nhiều trong điện và điện tử như là phần tử mạch điện không thể thiếu.

Tụ điện đơn giản nhất gồm hai bản phẳng diện tích A đặt cách nhau một khoảng d nhỏ hơn kích thước của các bản tụ.

Khả năng tích trữ điện tích C trong một tụ điện phẳng tỉ lệ thuận với diện tích A của các bản tụ và tỉ lệ nghịch với khoảng cách d giữa các bản tụ điện. Hằng số tỉ lệ là suất điện li ε và chúng được tóm tắt trong biểu thức sau:

Tụ điện do chai Leyden tạo thành có thể được tính gần đúng bằng hai bản hình trụ đồng tâm có bán kính bên trong là a và bán kính b đối với bản bên ngoài và chiều cao L. Sự khác biệt về bán kính chính là độ dày của tấm kính d là khoảng cách giữa các tấm.

Dung lượng C của tụ điện hình trụ được cho bởi:

Có thể suy ra từ biểu thức này, chiều dài L càng dài thì thiết bị có công suất càng lớn.

Dung tích chai Leyden

Trong trường hợp độ dày hoặc khoảng cách d nhỏ hơn nhiều so với bán kính, thì công suất có thể được tính gần đúng bằng biểu thức của các tấm phẳng như sau:

Trong biểu thức trước, p là chu vi của hình trụ và L là chiều cao.

Bất kể hình dạng nào, điện tích lớn nhất Q mà tụ điện có thể tích được tỉ lệ thuận với hiệu điện thế V, dung lượng C của tụ điện là hằng số tỉ lệ.

Q = C ⋅ V

Chai Leyden tự làm

Với các vật liệu sẵn có ở nhà và một số kỹ năng thủ công, bạn có thể bắt chước Giáo sư Musschenbroek và chế tạo một chai Leyden. Đối với điều này, bạn cần:

- 1 lọ thủy tinh hoặc nhựa, chẳng hạn như mayonnaise.

- 1 nắp cách điện bằng nhựa có đục lỗ để luồn dây hoặc cáp cứng qua đó.

- Dải giấy nhôm bếp hình chữ nhật để đậy, dính hoặc dính vào bên trong và bên ngoài của lọ. Điều quan trọng là lớp tráng nhôm không chạm tới mép bình, có thể cao hơn một nửa một chút.

- Một sợi cáp mềm không có lớp cách nhiệt được nối vào bên trong thanh để nó tiếp xúc với lá nhôm bọc bên trong thành bình.

- Quả cầu kim loại (đi trên nắp để tránh ảnh hưởng của gai).

- Cáp không có lớp cách nhiệt sẽ được gắn vào tấm nhôm bên ngoài.

- Thước và kéo.

- Băng dính.

Lưu ý: Một phiên bản khác để tránh việc đặt lá nhôm vào bên trong là đổ đầy dung dịch nước và muối vào chai hoặc lọ, dung dịch này sẽ đóng vai trò là tấm bên trong.

Quá trình

Đậy nắp chai từ trong ra ngoài bằng các dải giấy nhôm, nếu cần chúng được cố định bằng băng dính, chú ý không để phần giữa chai quá nhiều.

- Cẩn thận chọc thủng nắp để luồn dây đồng hoặc cáp không có vỏ bọc cách điện, để lá nhôm bên trong của bình tiếp xúc với bên ngoài, nơi đặt quả cầu dẫn điện ngay trên nắp.

- Thêm dây không có lớp cách điện được sử dụng để buộc áo bên ngoài và làm một loại tay cầm. Toàn bộ tổ hợp sẽ giống như những gì được thể hiện trong hình 1 và 4.

Hình 4. Chai Leyden. Nguồn: F. Zapata.

Thí nghiệm

Khi chai Leyden được chế tạo, bạn có thể thử nghiệm với nó:

Thí nghiệm 1

Nếu bạn có TV hoặc màn hình cũ có màn hình tia âm cực, bạn có thể sử dụng nó để sạc bình. Để thực hiện việc này, hãy giữ chai bằng một tay bên cạnh tấm bên ngoài, đồng thời đưa cáp kết nối với phần bên trong lại gần và chạm vào màn hình.

Cáp buộc bên ngoài phải gần với cáp đi từ bên trong chai. Lưu ý rằng xuất hiện tia lửa điện chứng tỏ bình đã nhiễm điện.

Thí nghiệm 2

Nếu bạn không có màn hình phù hợp, bạn có thể nạp chai Leyden bằng cách giữ nó gần một miếng vải len mà bạn vừa lấy từ máy sấy quần áo. Một lựa chọn khác cho nguồn sạc là lấy một đoạn ống nhựa (PVC) đã được đánh nhám trước đó để loại bỏ dầu mỡ và vecni. Chà ống bằng khăn giấy cho đến khi nó được sạc đủ.

Người giới thiệu

1. Chai Leyden. Phục hồi từ: es.wikipedia.org
2. Dụng cụ điện. Leyden Jar. Phục hồi từ: Brittanica.com
3. Endesa giáo dục. Thí nghiệm: Leyden chai. Khôi phục từ: youtube.com.
4. Leyden Jar. Được khôi phục từ: en.wikipedia.org.
5. Vật lý của bình Leyden trong "MacGyver". Khôi phục từ: wired.com
6. Tippens, P. Vật lý: Khái niệm và Ứng dụng. 516-523.