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Leidener Flasche

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Leidener Flasche

Gerade in der Wissenschaft läuft fast alles nach dem Motto "jeder fängt mal klein an". So ist es auch bei dem Thema Kondensatoren. Bevor es die Platten-, Kugel- oder Zylinderkondensatoren gab, wie Du sie aus der heutigen Physik kennst, gab es zuerst die Leidener Flasche.

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.

Die Leidener Flasche besteht aus einem Glasgefäß, an deren Innen- und Außenseite leitende Metallbeläge angebracht sind. Das Glas zwischen den beiden Metallschichten dient als Isolator.

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.

Die Kapazität C eines Zylinderkondensators hängt von der Länge l, den beiden Radien und , der relativen Permittivität des Dielektrikums und der elektrischen Feldkonstante ab:

Leidener Flasche Formel Kapazität Zylinderkondensator StudySmarter

Die elektrische Feldkonstante hat einen Wert von

Leidener Flasche elektrische Feldkonstante StudySmarter

Mit der folgenden Übungsaufgabe kannst Du nun die Formel anwenden:

Um die Kapazität C einer Leidener Flasche zu berechnen, nutzt Du aufgrund der Bauform die Formel für den Zylinderkondensator.

Aufgabe

Ein Zylinderkondensator hat einen Innenraum von und einen Außenradius von . Die Länge beträgt . Der Raum zwischen den beiden Zylinderflächen ist mit Acrylglas gefüllt.

Berechne die Kapazität C des Kondensators.

Lösung

Um die Kapazität C zu berechnen, nutzt Du die Formel

Als Nächstes setzt Du lediglich die aus der Aufgabe bekannten Werte in die Formel ein

Der Kondensator hat also eine Kapazität von .

Bisher hast Du viel Theoretisches zur Leidener Flasche gelernt. Du kannst Dir jedoch Deine eigene Leidener Flasche bauen. Was genau Du dafür benötigst und welcher Anleitung Du folgen solltest, erfährst Du im Folgenden.

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.

Bei diesem Experiment kann es passieren, dass Du einen Stromschlag bekommst, wenn Du nicht aufpasst. Um das zu verhindern, solltest Du die Aluminiumfolie nicht mit bloßen Händen anfassen.

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.

Wenn Du genaueres zum Thema Elektronenstrahlen, Kathoden und Anoden erfahren möchtest, schau in dem Artikel zur Braunschen Röhre vorbei!

Dieses Phänomen kommt vor allem bei alten Fernseh- und Computerbildschirmen vor. Die Bildschirme neigen dazu, schnell zu verstauben. Das liegt daran, dass einige Staubpartikel negativ geladen sind und deswegen von dem äußerlich positiv geladenen Bildschirm angezogen werden.

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.

Leidener Flasche - Das Wichtigste

  • Bei der Leidener Flasche handelt es sich um die älteste Bauform eines Kondensators.
  • Die Leidener Flasche ist ein Glasgefäß, an deren Innen- und Außenflächen Metallbeläge abgebracht sind.
  • Das Glasgefäß einer Leidener Flasche dient als Isolator.
  • Die Zinnfolie der Leidener Flasche bildet die Kondensatorplatten, wie Du sie von einem herkömmlichen Plattenkondensator kennst.
  • Bei entsprechender Kapazität kann die Ladung einer Leidener Flasche sehr groß werden. Ein sicheres Entladen ist deshalb sehr wichtig.
  • Aufgrund der Bauform der Leidener Flasche kann die Kapazität in guter Näherung wie ein Zylinderkondensator behandelt und berechnet werden.
  • Um die Kapazität C einer Leidener Flasche zu berechnen, wird die Formel zur Kapazitätsberechnung eines Zylinderkondensators genutzt

.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Leidener Flasche

Das skurrile an der Entdeckung der Leidener Flasche ist die Tatsache, dass sie innerhalb kürzester Zeit von mehreren Personen unabhängig voneinander erfunden wurde.

Sowohl Ewald Jürgen Georg von Kleist als auch Pieter van Musschenbroek haben eine Art Leidener Flasche erfunden. 

Im Prinzip funktioniert die Leidener Flasche wie ein herkömmlicher Kondensator. Die Metallbeschichtung dienen als Kondensatorplatten und das Glasgefäß als Isolator. Mithilfe einer Metallstange, die in das innere des Gefäßes ragt, kann eine Spannung angelegt werden und eine gewisse Energie gespeichert werden.

Das Prinzip der Leidener Flasche wurde erstmals in den Jahren 1745 und 1746 von Ewald Jürgen Georg von Kleist und Pieter van Musschenbroek erfunden.

Finales Leidener Flasche Quiz

Frage

Erkläre, was bei einer Leidener Flasche als Isolator dient.

Antwort anzeigen

Antwort

Bei einer Leidener Flasche fungiert das Glasgefäß als Isolator

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, wo Zinnfolie wird bei einer Leidener Flasche angebracht wird.

Antwort anzeigen

Antwort

Innen und Außen

Frage anzeigen

Frage

Nenne das physikalische Ereignis, zu dem es bei der Verwendung der Leidener Flasche kommen kann.

Antwort anzeigen

Antwort

Es können Blitze entstehen.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, welchen Zweck die Metallbeläge der Leidener Flasche haben.


Antwort anzeigen

Antwort

Die Metallbeläge fungieren als Kondensatorplatten. Auf ihnen befindet sich die Ladung.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, was auf den Metallbelägen der Leidener Flasche passiert, sobald eine Spannung angelegt wird.

Antwort anzeigen

Antwort

Sobald eine Spannung angelegt wird und Strom fließt, wandern Ladungen auf die Metallbeläge. Dabei kommt es zur Influenz. 

Frage anzeigen

Frage

Erkläre welche Stoffe genutzt werden können, um eine Leidener Flasche sicher zu entladen.

Antwort anzeigen

Antwort

Jede Form von Isolatoren. Meist werden Plastik- oder Gummigriffe genutzt.

Frage anzeigen

Frage

Nenne, welches Elektrische Bauteil für ein DIY- Experiment von Nöten ist.

Antwort anzeigen

Antwort

Für das Experiment wird eine Braunsche Röhre benötigt. Diese sind in alten Bildschirmen und Fernseher verbaut.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, welcher Art von Kondensator der Aufbau einer Leidener Flasche ähnelt.

Antwort anzeigen

Antwort

Der Aufbau einer Leidener Flasche ähnelt einem Zylinderkondensator.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre welche physikalischen Größen relevant sind, um die Kapazität einer Leidener Flasche zu berechnen.

Antwort anzeigen

Antwort

Um die Kapazität einer Leidener Flasche zu berechnen, nimmt man in Näherung an, dass es sich um einen Zylinderkondensator handelt. Für die Berechnung sind somit die beiden Radien der beiden Mantelflächen des Kondensators und die Länge des Kondensators relevant.

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