O Garrafa de Leyden É uma garrafa ou jarro de vidro fino, que contém uma folha de metal bem ajustada por dentro e outra película de metal igualmente apertada por fora.
É o primeiro dispositivo elétrico da história a ser utilizado para armazenar cargas elétricas simplesmente por seu toque, seja pela haste ou pela folha externa, com uma barra previamente carregada por fricção (efeito triboelétrico) ou por indução eletrostática. Uma fonte de tensão, como uma célula ou bateria, também pode ser usada.
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A invenção da garrafa de Leyden é creditada a Pieter van Musschenbroek, Professor de Física da Universidade de Leyden em 1745. Independentemente e simultaneamente, o inventor alemão Ewald Georg von Kleist também conseguiu armazenar eletricidade estática com garrafas semelhantes, antecipando os holandeses.
Musschenbroek teve a ajuda de um advogado chamado Cunaeus, que ele convidou para seu laboratório em Leyden. Este personagem sagaz foi o primeiro a notar que a carga se acumulava segurando a garrafa com a mão enquanto carregava a barra ou agulha com a máquina eletrostática..
Depois que o professor Musschenbroek surpreendeu a todos com sua invenção, a próxima melhoria na garrafa de Leyden, como o dispositivo foi finalmente batizado, foi feita em 1747 graças a John Bevis, um médico, pesquisador e, por último, mas não menos importante, o astrônomo que descobriu a nebulosa do caranguejo.
Bevis observou que, se você cobrisse a parte externa da garrafa com uma folha fina, não havia necessidade de segurá-la com a mão..
Ele também percebeu que não era necessário encher com água ou álcool (a garrafa de Musschenbroek original estava cheia de líquido) e que era necessário apenas cobrir a parede interna da garrafa com uma folha de metal em contato com a haste que atravessa a rolha ..
Experimentos posteriores revelaram que mais carga se acumulou conforme o vidro se tornava mais fino e a superfície de metal adjacente mais extensa..
As partes de uma garrafa de Leyden são mostradas na figura 1. O vidro atua como isolante ou dielétrico entre as placas, além de servir para dar-lhes o suporte necessário. As placas são geralmente de folha fina de estanho, alumínio ou cobre.
Um isolante também é usado para fazer a tampa do frasco, por exemplo, madeira seca, plástico ou vidro. A tampa é perfurada por uma haste de metal da qual pende uma corrente que serve para fazer o contato elétrico com a placa interna..
- Frasco de vidro, sendo o mais fino possível
- Folha de metal (alumínio, estanho, cobre, chumbo, prata, ouro) para cobrir separadamente o interior e o exterior da garrafa.
- Tampa de material isolante furada.
- Haste de metal que passa pela tampa perfurada e que na extremidade interna possui uma corrente ou cabo que faz contato metálico com a folha interna da garrafa. A outra extremidade da haste geralmente termina em uma esfera, para evitar arcos elétricos devido às cargas acumuladas nas pontas..
Para explicar o acúmulo de carga elétrica, é necessário começar estabelecendo a diferença entre isoladores e condutores..
Os metais são condutores porque os elétrons (portadores de carga elementar negativa) podem se mover livremente dentro deles. O que não significa que o metal esteja sempre carregado, na verdade ele permanece neutro quando o número de elétrons é igual ao número de prótons..
Em contraste, os elétrons dentro dos isoladores não têm a mobilidade típica dos metais. Porém, pelo atrito entre diferentes materiais isolantes pode acontecer que elétrons da superfície de um deles passem para a superfície do outro..
Voltando ao frasco de Leyden, de forma simplificada é uma folha metálica separada por um isolante de outra folha condutora. A Figura 3 mostra um esquema.
Suponha que a placa externa seja aterrada, seja manualmente ou por um fio. Quando uma haste que foi carregada positivamente por fricção é abordada, a haste que se conecta à placa interna torna-se polarizada. Isso leva a uma separação de cargas em todo placa interna da haste.
Elétrons na placa externa são atraídos para as cargas positivas na placa oposta e mais elétrons alcançam a placa externa a partir do solo.
Quando esta conexão é quebrada, a placa fica carregada negativamente e quando a haste é separada, a placa interna fica carregada positivamente..
A garrafa de Leyden foi o primeiro capacitor conhecido. Um capacitor consiste em duas placas de metal separadas por um isolante e são bem conhecidas na eletricidade e na eletrônica como elementos de circuito indispensáveis..
O condensador mais simples consiste em duas placas planas de área PARA separou uma distância d muito menor que o tamanho das placas.
A capacidade C armazenar carga em um capacitor de placa plana é proporcional à área PARA placas, e inversamente proporcional à separação d entre pratos. A constante de proporcionalidade é permissividade elétrica ε e são resumidos na seguinte expressão:
C = ε⋅A / d
O capacitor formado pela garrafa de Leyden pode ser aproximado por duas placas cilíndricas concêntricas de raios para interno e rádio b para a botoneira e altura eu. A diferença nos raios é justamente a espessura do vidro d qual é a separação entre as placas.
A capacidade C de um capacitor de placa cilíndrica é dado por:
C = ε⋅2πL / ln (b / a)
Como pode ser deduzido desta expressão, quanto maior o comprimento L, mais capacidade o dispositivo tem.
No caso de a espessura ou separação d é muito menor do que o raio, então a capacidade pode ser aproximada pela expressão das placas planas da seguinte forma:
C ≈ ε⋅2πa L / d = ε⋅p L / d
Na expressão acima p é o perímetro da placa cilíndrica e eu a altura.
Independentemente da forma, a carga máxima Q que um capacitor pode acumular é proporcional à tensão de carga V, sendo a capacidade C do capacitor a constante de proporcionalidade.
Q = C⋅ V
Com materiais disponíveis em casa e alguma habilidade manual, você pode imitar o Professor Musschenbroek e construir uma garrafa de Leyden. Para isso, você precisa:
- 1 frasco de vidro ou plástico, como maionese.
- 1 capa isolante de plástico perfurada através da qual um fio rígido ou cabo será passado.
- Tiras retangulares de papel alumínio para cobrir, colar ou aderir dentro e fora do frasco. É importante que o revestimento de alumínio não atinja a borda da garrafa, pode ser um pouco mais alto que a metade.
- Um cabo flexível sem isolamento que é emendado por dentro da haste, de modo que entre em contato com a folha de alumínio que reveste o interior da parede da garrafa.
- Esfera metálica (fica no topo da tampa para evitar o efeito de pontas).
- Fio não isolado para ser ligado à folha de alumínio externa.
- Régua e tesoura.
- Fita adesiva.
Obs: Outra versão que evita o trabalho de colocar o papel alumínio por dentro é encher a garrafa ou jarro com uma solução de água e sal, que servirá como prato interno..
Cubra a garrafa por dentro e por fora com as tiras de papel alumínio, se necessário elas são fixadas com fita adesiva, tomando cuidado para não ultrapassar muito o meio da garrafa.
- Perfure cuidadosamente a tampa para passar pelo fio ou cabo de cobre desencapado, para colocar a folha de alumínio interna da garrafa em contato com o exterior, onde a esfera condutora deve ser colocada logo acima da tampa.
- Mais fio não isolado é usado para amarrar a capa externa e fazer uma espécie de cabo. Todo o conjunto deve ser semelhante ao mostrado nas figuras 1 e 4.
Uma vez que a garrafa de Leyden é construída, você pode experimentá-la:
Se você tiver uma TV ou monitor antigo com tela de raios catódicos, poderá usá-lo para carregar a garrafa. Para fazer isso, segure a garrafa com uma das mãos pela placa externa, enquanto traz o cabo que conecta a parte interna para perto e toca a tela..
O cabo amarrado por fora deve ficar próximo ao cabo que sai de dentro da garrafa. Observe que ocorre uma faísca, mostrando que a garrafa foi carregada eletricamente..
Se você não tiver uma tela adequada, pode carregar a garrafa de Leyden segurando-a perto de um pano de lã que acabou de tirar da secadora. Outra opção para a fonte de carga é pegar um pedaço de tubo de plástico (PVC) que foi previamente lixado para remover a graxa e o verniz. Esfregue o tubo com uma toalha de papel até adquirir carga suficiente.
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