الفيزياء

نشاط عملي يوّضح طريقة صنع “وعاء لايدن الكهربائي”

2011 الكهرباء والمغناطيسية

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

وعاء لايدن الكهربائي الفيزياء

الأهداف

1- صنع " وعاء لايدن "

2- تخزين الكهرباء داخل " وعاء لايدن " .

3- إنشاء صاعقة مصغرة

 

الأدوات التي تحتاجها:

– وعاء بلاستيكي 

– رقاقة ألمنيوم .

– غراء أبيض برغي معدني .

– مقبض خزانة معدني .

– سلك نحاسي .

– سلك رفيع، مشابه لأسلاك البيانو .

– قطّاعة أسلاك .

– أنبوب بلاستيك  PVC طوله 1 قدم (30 سم) .

– قطعة قماش قطنية

 

خطوات العمل:

1- قص شريحة من رقاقة الألمنيوم طولها ثلثا الوعاء البلاستيكي، وبما يكفي للف الرقاقة داخل الوعاء مرة واحدة. ويجب أن تكون الرقاقة ملساء وغير مجعدة. الصق الرقاقة داخل الوعاء بحيث تلتصق بإحكام بالبلاستيك.

2- الصق شريحة مماثلة من رقاقة الألمنيوم حول الجزء الخارجي من الوعاء البلاستيكي .

3- اطلب من أحد الكبار أن يساعدك بإدخال البرغي المعدني حتى نصفه في غطاء الوعاء البلاستيكي، وبحيث يكون رأس البرغي في الداخل.

وينبغي أن يبرز الطرف المدبب من البرغي من الغطاء البلاستيكي بما يكفي لتثبيت مقبض الخزانة المعدني عليه. قص قطعة من السلك النحاسي بطول 6 بوصات ( 15 سم ) ولف أحد طرفيه حول البرغي وألصق الطرف الآخر برقاقة الألمنيوم داخل الوعاء.

4- ضع الغطاء على الوعاء. اقطع ثلاثة أسلاك رفيعة طول كل منها 3 بوصات (7.5 سم).

لف طرف كل من الأسلاك حول البرغي بالقرب من البلاستيك، ثم قم بتثبيت المقبض المعدني على الطرف المدبب من البرغي. وينبغي أن تكون الأسلاك القصيرة بارزة عن المقبض المعدنــي .

5- الصق سلكاً نحاسياً آخر طوله 6 بوصات (15 سم) برقاقة الألمنيوم على الجزء الخارجي من الوعاء البلاستيكي. اترك الطرف الآخر منه محرراً، ولكن تأكد من ملامسته للطاولة .

 

6- ادلك الأنبوب البلاستيكي بقطعة القماش. وبعد بضع ثوان لامس بهدوء الأنبوب بالسلك النحاسي القصير البارز من أسفل المقبض المعدني في أعلى الوعاء. كرر هذه الخطوة عدة مرات كي تشحن "وعاء لايدن".

7– ضع الأنبوب جانباً وخذ الطرف الحر من السلك الملصق على شريحة الألمنيوم الخارجية. قارب ببطء بين الطرف الحر من السلك والمقبض المعدني. انظر بإمعان وسترى شرارة صغيرة تقفز عبر الفجوة بين السلك والبرغي.

 

تستطيع أن تستنتج من طول الشرارة التي تقوم  بتوليدها مقدار الجهد الكهربائي الذي خزنته في وعائك. ومن بين إحدى الطرق السهلة التي يمكنك من خلالها زيادة الشحنة الكهربائية المخزنة هي تكرار عدد المرات التي تقوم بها بدلك الأنبوب البلاستيكي وملامسة الأنبوب بالأسلاك.

وعليك توخي الحذر عند قيامك بذلك لأنك قد تتعرض لصعقة كهربائية إذا بالغت في شحن الوعاء بالكهربــــاء .

وهناك أحجام وأشكال مختلفة لأوعية "لايدن" ومن الأفضل استخدام أوعية مستديرة بدلاً من المربعة لأن الشحنة المختزنة يُمكن أن تتسرب إذا كانت هناك ثنايا أو أجزاء متجعدة في رقاقة الألمنيوم.

 

وبالإمكان صنع " وعاء لايدن " بأي حجم. إن علبة أفلام التصوير الفارغة يمكن أن تكون مناسبة جداً وسهلة الحمل لاستخدامها " كوعاء لايدن " .

قم بمزيد من التجاب بصنع " أوعية لايدن " ذات أحجام مختلفة. هل هناك أي تأثير لذلك على حجم الشرارة المتولدة؟

وبوجه عام، كلما كان الوعاء أكبر حجماً، أصبحت مساحة رقاقة الألمنيوم المستخدمة أكثر قدرة على تخزين الشحنات الكهربائية وأصبحت الشرارة المتولدة أكبر حجماً .

 

تحليل النشاط:

بما أن الأنبوب البلاستيكي عازل للكهرباء، لا يسري التيار فيه بسهولة، ولهذا السبب عندما قمت بدلك أو فرك الأنبوب انتقلت الإلكترونات من قطعة القماش وتجمعت على الأنبوب البلاستيكي شحنة سالبة (إلكترونات إضافية).

إن الأسلاك الرفيعة الموجودة على الوعاء موصلات جيدة للكهرباء، وعندما لامست بين الأنبوب والأسلاك انتقلت الشحنة من الأنبوب عبر الأسلاك إلى البرغي، فالسلك الداخلي ومن ثم إلى رقاقة الألمنيوم داخل الوعاء.

وعندما أصبحت الشحنة الكهربائية داخل الوعاء لم تجد مكاناً آخر تنتقل إليه. وبما أن الوعاء البلاستيكي أيضا غير موصل للكهرباء، ظلت الشحنة السالبة محتجزة على رقاقة الألمنيوم داخل الوعاء.

 

عندما لامس السلك على الجزء الخارجي من الوعاء الطاولة، نقول إن الشحنة قد " تأرّضت". وطالما بقي السلك ملامساً للطاولة، لن تجد الشحنات الموجبة على الرقاقة الخارجية مكاناً آخر تذهب إليه لأنها " تأرّضت ".

لذلك تعززت الشحنة السالبة داخل الوعاء معزولة عن الشحنة الموجبة الموجودة على الجزء الخارجي من الوعاء .

وعندما قاربتَ بين السلك خارج الوعاء والمقبض المعدني، كان جهد التيار الكهربائي الذي أنشأته داخل الوعاء كافياً لتجذب الشحنات المعاكسة.

 

أما الشرارة فكانت عبارة عن إلكترونات تقفز فوق الفجوة وتسري من الرقاقة الداخلية التي تحوي شحنة سالبة إلى الشحنة الموجبة على الرقاقة الخارجيــة، وأدى ذلك إلى إبطال مفعول الشحنات على رقاقتي الألمنيوم بما يسمى تفريغ الكهرباء الساكنة.

وتمثل ذلك التفريغ بالشرارة التي شاهدتها إن الهواء عازل جيد للكهرباء، ولكن بوجود جهد كهربائي عالٍ يقوم الهواء بتوصيل الكهرباء.

ولعل ظاهرة البرق خير مثال على ذلك، حيث يُشير وميض البرق أو الشرارة التي تنطلق من البرق إلى أن الشحنات الكهربائية تسري في الهوا .

وكلما كانت الشرارة أكبر حجماً أصبح الجهد الكهربائي أكثر شدة.

 

وكي تحدث شرارة طولها 1 بوصة ( 2.5 سم ) لا بدّ من توافر حوالي 25.000 فولت ( أو 10.000 فولت لحدوث شرارة طولها 1 سم )، ولهذا  فإننا نحتاج إلى 2.500 فولت كي نصنع شرارة طولها 0.1 بوصة ( 2.5 مم ).

وتعمل صاعقة البرق بالطريقة ذاتها كما في " وعاء لايدن " الذي صنعته بنفسك غير أن البرق يكون محملاً بجهد كهربائي أكبر. ويحتاج حدوث صاعقة برق واحدة في الغيمة إلى حوالي 100 مليون فولت.

 

لذلك تكون ضربة الصاعقة خطرة للغاية، أما في " وعاء لايدن " الذي صنعته في النشاط الرئيس، فإنك تولد  صواعق برقية مصغرة وآمنة .

بدأ العلماء بعد اختراع " وعاء لايدن " بإجراء التجارب على الشحنة المختزنة . وقد مهدّت تلك التجارب الطريق لصنع المحركات والمولدات الكهربائية وتنوع طرائق استخدام الطاقة الكهربائية في عصرنا الراهن.

 

طريقة عمل " وعاء لايدن "

تُمثل الصورة في الأسفل تصميماً آخر " لوعاء لايدن "  تستطيع صنعه بنفسك، ويتألف هذا الوعاء من سلسلة بدلاً من السلك.

حيث تقوم هذه السلسلة بتوصيل الشحنة الكهربائية إلى داخل الوعاء الزجاجي. ويتم شحن الوعاء بملامسة منبع للكهرباء الساكنة ( أنبوب بلاستيكي PVC ) بمقبض في أعلى الوعاء.

تتجمع الشحنة السالبة على الرقاقة الداخلية والشحنة الموجبة على الرقاقة الخارجيــة.  ولا يحدث أي شيء إذا كان الوعاء " مؤرضاً " .

 

ولكن عندما نقارب سلك التأريض من المقبض، تبدأ الشحنة الموجبة على الرقاقة الخارجية بالسريان إلى أعلى السلك.

تسري الشحنة السالبة في الوقت نفسه من الرقاقة الداخلية عبر السلسلة إلى المقبض. تنجذب الشحنتان المختلفتان نحو بعضهما، ما يؤدي إلى حدوث الشرارة.

 

ما العمل لو أنني لم أحصل على شرارة ؟

ربما يكون السبب هو عدم شحنك الوعاء بصورة كافية. حاول إعادة الخطوة السادسة 5 إلى 10 مرات .

في الأيام التي تكون فيها الرطوبة الجوية عالية. ينقل الهواء بالكهرباء بشكل أفضل . وهذا يعني أنا الشحنة الكهربائية قد تتسرب من وعائك عبر الهواء حال وضعها في داخله . حاول أن تجري التجربة في أحد الأيام الجافة.

تميل الشحنات الكهربائية إلى التجمع والتسرب عند النهايات الحادة، لذلك ينبغي ألا تترك أي ثنايا أو تجاعيد في رقاقة الألمنيوم التي تستخدمها. وتأكد من التصاق الرقاقة بالوعاء البلاستيكي بصورة كاملة.

 

نصائح للسلامة

– رغم أن صنع شرارة كهربائية شيء ممتع، إلا أنه قد ينطوي على الخطر، فكلما كانت الشرارة أكبر حجماً أصبح التيار الكهربائي أشد قوة.

ويمكن أن تؤدي "أوعية لايدن" الكبيرة إلى تخزين جهد كهربائي خطير، لذلك ننصح باستعمال وعاء صغير. تجنب دائماً العبث بالكهرباء .

 

– لا تستعمل صمغاً قابلاً للاشتغال (مثل اللاصق المطاطي) في لصق الرقاقة داخل الوعاء لأن ذلك قد يؤدي إلى اشتعالها.

اطلب من أحد الكبار مساعدتك في اختيار نوع المادة اللاصقة التي تستعملها. كما تستطيع استعمال مادة شمعية أو شريط لاصق غير قابل للاشتعال.

اظهر المزيد

مقالات ذات صلة

زر الذهاب إلى الأعلى
إغلاق
إغلاق