Blesk vo fľaši

Na zemi vedľa B. Franklina je položená leidenská fľaša, foto wikipédia/Currier&Ives, New York/The Pennsylvania State University, public domain.

Všimli ste si na niektorých kresbách zobrazujúcich Benjamina Franklina pri jeho povestnom experimente so šarkanom, že vedľa neho na zemi je položená akási nádoba? Touto nádobou bola tzv. leidenská fľaša, ktorou vraj veľmi pracne zbieral elektrický oheň.

Jeho šarkana pravdepodobne nezasiahol blesk, lež výboj z leidenskej fľaše, ktorá sa počas búrky dostatočne nabila. B. Franklin teda doslova chytil blesk do fľaše. Šarkan bol totiž priviazaný na vodivom drôte, ktorý bol spojený s fľašou. Na vodivom drôte bol zavesený kľúč.

Elektrické javy

V súčasnosti už vieme, že počas búrky medzi oblakmi a zemou vzniká veľmi silné elektrické pole. Práve vďaka tomu sa cez vodivý drôt šarkana nabila leidenská fľaša. Keď Franklin svoju ruku priblížil ku kľúču, voľné elektróny z fľaše preskočili na jeho telo. Opísal to ako najúžasnejší pocit vo svojom živote. Mimochodom, týmto experimentom sa nesnažil objaviť elektrinu. V skutočnosti chcel iba dokázať pravdivosť svojej hypotézy, že blesk je silný elektrický výboj.
Leidenská fľaša je elektrické zariadenie slúžiace na akumuláciu energie. Priemerná leidenská fľaša má kapacitu 1 nF (nanofarad) a môže viesť napätie až 60 000 V, no nabiť ju do takej miery by trvalo veľmi dlho. Je pomenovaná po rodisku holandského vedca Pietera van Musschenbroeka, ktorý žil a pôsobil v meste Leiden. Nemecký vedec a vynálezca Ewald Jürgen Georg von Kleist však objavil fľašu ešte skôr.

Uskladnenie náboja

Fotografia výboja z leidenskej fľaše v zatemnenej miestnosti

Ako to väčšinou pri vedeckých objavoch býva, aj pri zrode leidenskej fľaše stála náhoda. V zime roku 1745 experimentoval Kleist s klincom zelektrizovaným pomocou trecej elektriny, ako sa vtedy statická elektrina nazývala. Pokúšal sa vsunúť klinec do nádoby s vodou, ktorú držal v druhej ruke. Keď sa mu to podarilo, na rukách pocítil veľmi silný šok. Keď vodu nahradil ortuťou, objavil, že účinok sa ešte zväčšil – videl dokonca aj iskru. Za pozoruhodné pokladal, že ak nádobu položil na stôl a znova skúsil klinec ponoriť do vody, nestalo sa nič. Neskôr prišiel na to, že náboj sa v nádobe uchová prinajmenšom 24 hodín. Svoj objav považoval za dôležitý a podal o ňom správu nielen v Nemecku.
Experimentátori väčšinou testovali leidenské fľaše na svojom tele, pretože kým fľaša nie je príliš nabitá, jej účinky sú neškodné. Do určitej miery je to podobné, ako keď si vyzliekame sveter.

Správa o objave

V roku 1746 dostal francúzsky fyzik René de Réaumur list od Musschenbroeka, ktorý sa začínal slovami: Chcel by som ťa zoznámiť s novým, ale v skutku príšerným experimentom, a dobre ti radím, za žiadnych okolností to sám neskúšaj… Za tým účelom som zavesil pomocou dvoch hodvábnych šnúr železnú hlaveň elektrizovanú zo sklenej gule, ktorú pomocník rýchlo točil okolo svojej osi, zatiaľ čo druhý pomocník ju trel pritláčaním jeho ruky. Z druhého konca hlavne trčal drôt, ktorého koniec zasahoval do sklenej nádoby čiastočne naplnenej vodou. Nádobu som držal v pravej ruke a ľavou som sa snažil vytiahnuť zo zelektrizovanej hlavne iskry. Zrazu som pocítil taký šok, že sa moje telo rozochvelo, akoby ma zasiahol blesk. Fľaša na moje prekvapenie nepraskla a ani ruka ma nebolela, ale zvyšok tela bol zasiahnutý horšie. Správa o objave sa rýchlo šírila Európou a neskôr sa dostala do Ameriky až k Franklinovi. Ten neskôr fľašu vylepšil a dokonca ich spojil viac, aby vytvoril silnejší šok.

Autorova replika leidenskej fľaše. Na obrázku je možné vidieť výboj.

Prvý kondenzátor

Leidenská fľaša je prvým zámerne konštruovaným kondenzátorom, ktorý slúžil ako zásobník statického elektrického náboja počas 18. a 19. storočia pri dôležitých aj zábavných experimentoch. Jeana-Antoina Nolleta však považovali za zabávača, keď pred francúzskym kráľom Ľudovítom XV. na dvore vo Versailles demonštroval ohromnú silu elektriny. Nechal 180 kráľovských gardistov navzájom sa držiac za ruky nastúpiť do kruhu, pričom cez nich vyslal výboj z leidenskej fľaše. Súčasné poskočenie vojakov bolo zadosťučinením pre smejúce sa panstvo.
Fľašou vedci zapaľovali aj lieh, čo ľudí pri rôznych demonštráciách fascinovalo. Fľaša tiež bola využívaná pri serióznych experimentoch, významne prispela k objavu Ohmovho zákona a anglický fyzik Michael Faraday ju používal ako batériu.
Na vysvetlenie toho, ako fľaša funguje, je potrebné najprv objasniť pojem kondenzátor. Je to súčiastka, ktorej prevažujúca vlastnosť je elektrická kapacita. Skladá sa z dvoch vodivých dosiek oddelených dielektrikom (nevodivým materiálom alebo polovodičom polarizujúcim sa vo vonkajšom elektrickom poli), ktorý zabraňuje vzájomnému kontaktu opačných nábojov na doskách.

Zdokonaľovanie dizajnu

Typická leidenská fľaša pozostáva zo sklenej nádoby, v ktorej sa nachádza elektrolyt (najčastejšie voda). Za najlepšie nádoby pre leidenské fľaše sa v minulosti považovali najmä nádoby od piva. Namiesto sklenej nádoby však možno použiť aj plastovú. Nezáleží na tvare nádoby, no hrúbka skla či plastu reguluje rýchlosť vybitia fľaše.
Kondenzátor obsahuje dve nabité časti oddelené nevodivým materiálom. V minulosti nevodivý materiál predstavovalo sklo a nabitými časťami boli elektrolyt a vonkajší povrch skla. A práve to bol problém, pretože povrch skla sa nedokáže veľmi nabiť, či už kladne alebo záporne. Dizajn bol neskôr práve kvôli absencii vonkajšej elektródy vylepšený, keď člen Kráľovskej spoločnosti John Bevis navrhol obalenie vonkajšej strany tenkou fóliou, čím vznikol výrazne lepší vonkajší elektrický vodič a zosilnil sa tým účinok. William Watson neskôr z nádoby odstránil elektrolyt a kovovou fóliou obalil aj vnútro fľaše.
Franklin následne princíp leidenskej fľaše znova vylepšil, ale od myšlienky použiť nádobu upustil. Namiesto nej polepil obyčajnú sklenú dosku z obidvoch strán kovovou fóliou, čo sa do histórie zapísalo ako Franklinova doska.

Princíp fungovania

Silnejší výboj z fľaše po nabití generátorom statickej elektriny. Výboj dosiahol dĺžku okolo dvoch centimetrov.

Vieme, že ak spojíme vodivým materiálom kladný a záporný náboj, systém sa bude snažiť dosiahnuť ekvilibrium (rovnováhu) a náboje sa začnú hýbať, čím vznikne elektrický prúd. Leidenská fľaša funguje tak, že statickou elektrinou nabijeme elektrolyt záporne, čím sa fólia na vonkajšej strane fľaše nabije kladne. Máme teda dva vodivé materiály opačného náboja oddelené dielektrikom (sklom), presne ako pri kondenzátore. Pri nabíjaní sa vo fľaši deje veľmi zaujímavý proces. Záporné náboje sa hýbu zvnútra smerom k fólii a ukladajú sa na skle zvnútra. Tým však v elektrolyte prevažuje kladný náboj, ku ktorému sa zasa ťahá záporný náboj z fólie, ktorý ostane na vonkajšej strane skla. Tento jav, pri ktorom sa záporný náboj orientuje ku kladnému a naopak, sa nazýva polarizácia dielektrika.
Pri spojení kladnej a zápornej elektródy vznikne elektrický prúd, čo sa pri použití rúk ako vodiča medzi elektródami prejaví ako nepríjemné kopnutie.

Konštrukcia

Na konštrukciu vlastnej fľaše budeme potrebovať niekoľko predmetov. Odporúčam použiť plastovú fľašu, ktorú zvonku oblepíme alobalom. Ten by nemal siahať menej ako dva centimetre od dna ani vrchu fľaše. Dovnútra fľaše nalejeme vodu, ktorú nasýtime chloridom sodným (NaCl), teda kuchynskou soľou, aby sme zvýšili vodivosť vody. Vrchnák z fľaše musí byť nevodivý, pri plastových fľašiach je väčšinou tiež plastový. Cez vrchnák prestrčíme klinec, ktorého hlavička by mala trčať asi dva centimetre nad vrchnákom, ale zároveň musí byť jeho hrot ponorený vo vode. Namiesto klinca môžeme použiť aj drôt. Čím väčšia plocha klinca či drôtu bude ponorená v kvapaline, tým lepšie. Je vhodnejšie, ak bude navrchu klinca alebo drôtu guľa, pretože krivý povrch spôsobuje zvýšenie odporu, a teda zníženie vodivosti, čo znamená slabší výboj a menej zábavy. Najlepšie by bolo mať k dispozícii tyč s guľou navrchu, ale môžeme napríklad obaliť alobalom pingpongovú loptičku a pripevniť ju navrch drôtu či klinca. Fľašu nabijeme statickou elektrinou. Najlepšie nám to pôjde polyvinylchloridovou (PVC) rúrkou, ktorú budeme šúchať o srsť alebo papierovú utierku. Keď sme fľašu úspešne nabili, stačí spojiť kladnú a zápornú elektródu a voilà.

Text a foto Dominik Makuka
Autor je študentom 1. ročníka Gymnázia Veľká Okružná v Žiline. Počas štúdia by sa chcel venovať najmä fyzike a matematike. Aj na základe preukázania vedomostí súvisiacich s tvorbou tohto článku veríme, že sa mu v predmetoch bude dariť.

Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 9/2021. Ak ešte nie ste našou predplatiteľkou/naším predplatiteľom a chcete mať prístup k exkluzívnemu obsahu, objednajte si predplatné podľa vášho výberu tu.
Komentáre