Leidener Flasche

Die Leidener Flasche ist ein historisches elektrisches Gerät, das zur Speicherung von elektrischer Ladung verwendet wurde. Sie wurde 1745 von dem niederländischen Wissenschaftler Pieter van Musschenbroek erfunden und nach der niederländischen Stadt Leiden benannt, wo er lehrte.

Die Leidener Flasche besteht aus einer Glasflasche, die zur Hälfte mit Wasser gefüllt ist. Innen und außen sind jeweils Metallfolien angebracht, die durch eine isolierende Schicht voneinander getrennt sind. Durch eine Metallstange, die durch einen Korken in der Mitte der Flasche geführt wird, kann die Flasche aufgeladen werden.

Leidender Flasche einfach erklärt

Bei einer Leidender Flasche handelt es sich um die älteste Form eines Kondensators. Während heutige Kondensatoren geometrisch einfache Formen besitzen, zum Beispiel rechteckige oder runde Platten, besteht die Leidender Flasche aus einem Glasgefäß, an dem innen und außen Metallbeläge angebracht sind.

Entdeckung der Leidener Flasche

Das Prinzip der Leidener Flasche wurde unabhängig voneinander von zwei Physikern innerhalb eines Jahres erfunden. Sowohl Ewald Jürgen Georg von Kleist als auch Pieter van Musschenbroek erfanden in den Jahren 1745 und 1746 das Prinzip der Leidener Flasche, als sie bei Versuchen im Labor bei der Anordnung von Gläsern und Metallen elektrische Stromschläge erzeugten.

Leidener Flasche Aufbau

In Abbildung 1 siehst Du den Aufbau der Leidener Flasche:

Die Leidener Flasche besteht aus einem Glasgefäß, zum Beispiel einer Glasflasche, deren Flaschenwände von Innen und Außen mit einer Zinnfolie, sogenanntem Stanniol, ausgekleidet sind. Im Inneren des Glasgefäßes befindet sich eine Metallstange, die am unteren Ende mit einem Metallteller verbunden ist.

Obwohl die Leidener Flasche zur Zeit der Erfindung zum Verständnis von Elektrizität relevant war, wird sie heutzutage von Platten-, Kugel- oder Zylinderkondensatoren abgelöst.

Leidener Flasche Funktionsweise

Die grundlegende Funktion der Leidener Flasche stimmt verständlicherweise mit der eines herkömmlichen Kondensators überein.

Die mit Zinnfolie ausgekleidete Glasflasche bildet bei der Leidener Flasche die Kondensatorplatten, wie von Platten- oder Kugelkondensatoren. Die Flasche wird mit Hilfe einer Metallstange angeschlossen und aufgeladen. Diese endet unten in einem Metallteller, der sich im Inneren der Flasche auf dem Boden befindet. Wird die Flasche über die Metallstange positiv aufgeladen, so entsteht durch Influenz am äußeren Belag der Zinnfolie eine negative Ladung. Es baut sich zwischen den Belägen ein elektrisches Feld auf, in dem Ladungen und elektrische Energie gespeichert wird.

Leidener Flasche Kapazität

Um die Kapazität einer Leidener Flasche zu berechnen, wird sie in guter Näherung wie ein Zylinderkondensator behandelt.

Leidener Flasche Fläche

Der Aufbau eines Zylinderkondensators ist in Abbildung 2 dargestellt. Du kannst aufgrund der Form der Leidener Flasche die Flächen als zylinderförmig annehmen.

Die Platten dieses Kondensators sind in diesem Fall Zylindermäntel mit den Radien R₁ und R₂. Zwischen diesen beiden Platten befindet sich ein Dielektrikum .

Leidener Flasche Formel

Der Kondensator besteht aus zwei elektrisch leitenden Zylindermänteln, zwischen denen sich ein Dielektrikum befindet. Die beiden zylindrischen Flächen sind koaxial gelagert und haben die gleiche Länge l. Der innere Zylindermantel hat den Radius R₁ und der äußere den Radius R₂. Der Vorteil eines Zylinderkondensators ist, dass die Symmetrie ausgenutzt werden kann.

Mit der folgenden Übungsaufgabe kannst Du nun die Formel anwenden:

Leidener Flasche Experiment

Du weißt jetzt bereits, wie eine Leidener Flasche aufgebaut ist und wie sie funktioniert. Zunächst folgt ein Do-it-yourself Experiment, welches Du Zuhause nachmachen kannst.

Was wird benötigt?

Um Dir selbst eine Leidener Flasche zu bauen, folgt hier eine kurze Liste an Dingen, die Du dafür benötigst:

• ein schmales, möglichst hohes Trinkglas
• Klebeband
• Aluminiumfolie
• ein Kabel, etwa 5 cm lang
• eine Schere
• einen Röhrenbildschirm.

Anleitung zum Bau der Leidener Flasche

Zu Beginn umwickelst Du das Trinkglas mit Aluminiumfolie. Achte dabei darauf, dass der Abstand der Folie zum oberen Rand des Trinkglases etwa einen Zentimeter groß sein sollte. Anschließend kleidest Du die Innenseite des Glases mit der Folie aus, wobei hier die Folie etwa einen Zentimeter über den Rand herausstehen sollte. Sobald das geschafft ist, nimmst Du Dir das Kabel und entfernst an beiden Enden etwa einen Zentimeter der Plastikisolierung. Das schaffst Du am besten, indem Du mit der Schere mit einer drehenden Bewegung nach und nach durch die Isolierung schneidest, bis Du diese abziehen kannst. Ein Ende des Kabels klebst Du anschließend mit Klebeband an die sich außen befindende Alufolie, etwa im oberen Viertel des Trinkglases.

Dein Trinkglas sollte in etwa so aussehen, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Blitze aus der Leidener Flasche

Geschafft! Du hast Dir eine eigene Leidener Falsche gebaut. Um die Flasche aufzuladen, schaltest Du den Röhrenbildschirm ein und wischt mit der über dem Glasrand herausstehenden Alufolie über den Bildschirm. Diesen Vorgang musst Du mehrere Male wiederholen. Anschließend nimmst Du das Kabel, welches Du an die äußere Folie geklebt hast, und hältst es an die Folie im Inneren des Trinkglases. Schau genau hin und Du siehst einen Blitz.

Was ist beim DIY-Experiment passiert?

Um klären zu können, wie ein mit Alufolie umwickelndes Trinkglas Blitze entstehen lässt, muss geklärt werden, wie genau sich die selbstgebaute Leidener Flasche auflädt.

In alten Röhrenbildschirmen wird eine Hochspannung genutzt, um Elektronen einer negativ geladenen Kathode an einer positiv geladenen Anode vorbei auf den Bildschirm zu schießen. Sobald der Elektronenstrahl den Bildschirm trifft, erzeugt er dort das Bild.

Der Beschuss durch Elektronen führt dazu, dass sich das Glas des Bildschirms im Inneren negativ und infolgedessen von außen positiv auflädt. Dies führt dazu, dass negative Ladungen, die sich vor dem Fernseher befinden, angezogen werden.

Streichst Du nun mit deiner selbstgebauten Flasche über den Bildschirm, so findet ein Ladungsaustausch statt. Die innere Folie wird dabei positiv geladen. Berührst Du nun mit dem Kabel die Folie, so kommt es zu einer Entladung in Form eines Blitzes, da die innere Folie für eine kurze Zeit eine große Anzahl Elektronen von der äußeren Folie erhält.

Leidener Flasche Entladung

Bei einer entsprechenden Kapazität kann die Ladung, die sich auf den Folien der Leidener Flasche befindet, sehr groß werden. Deshalb ist es wichtig, die Flasche nicht über den eigenen Körper, sondern mit einem isolierten Griff, zum Beispiel aus Plastik, zu entladen. Verbindest Du die Stange, die aus der Flasche ragt, mit der äußeren Metallschicht, werden diese kurzgeschlossen, Funken entstehen und die Flasche ist entladen.