BOTOL LEYDEN: SUKU CADANG, OPERASI, EKSPERIMEN - FISIK - 2025

The botol Leyden adalah botol kaca tipis atau jar, yang berisi foil logam pas erat di dalam dan film logam lain yang ketat di luar.

Ini adalah perangkat listrik pertama dalam sejarah yang berfungsi untuk menyimpan muatan listrik hanya dengan menyentuhnya, baik dengan batang atau dengan lembaran luar, dengan batang yang sebelumnya diisi oleh gesekan (efek triboelektrik) atau dengan induksi elektrostatis. Sumber tegangan seperti sel atau baterai juga dapat digunakan.

Gambar 1. Gambar menunjukkan botol Leyden yang khas. Lembaran dalam adalah salah satu pelat kapasitor dan lembaran luar adalah pelat lainnya. Sumber: Wikimedia Commons. Cabang

Sejarah

Penemuan botol Leyden dikreditkan ke Pieter van Musschenbroek, Profesor Fisika di Universitas Leyden pada tahun 1745. Secara mandiri dan bersamaan, penemu Jerman Ewald Georg von Kleist juga berhasil menyimpan listrik statis dengan botol serupa, mengantisipasi Belanda.

Musschenbroek mendapat bantuan seorang pengacara bernama Cunaeus, yang dia undang ke laboratoriumnya di Leyden. Karakter cerdas ini adalah orang pertama yang menyadari bahwa muatan terakumulasi dengan memegang botol dengan tangannya saat batang atau jarum diisi dengan mesin elektrostatis.

Setelah Profesor Musschenbroek mengejutkan semua orang dengan penemuannya, perbaikan selanjutnya pada botol Leyden, karena perangkat itu akhirnya dibaptis, dibuat pada tahun 1747 berkat John Bevis, seorang dokter, peneliti, dan yang terakhir namun tidak kalah pentingnya adalah astronom yang menemukan Nebula Kepiting.

Bevis mengamati bahwa jika Anda menutupi bagian luar botol dengan lembaran tipis, Anda tidak perlu memegangnya dengan tangan.

Ia juga menyadari bahwa tidak perlu mengisinya dengan air atau alkohol (botol Musschenbroek asli diisi dengan cairan) dan hanya perlu menutupi dinding bagian dalam botol dengan kertas logam yang bersentuhan dengan batang yang melewati gabus.

Percobaan selanjutnya mengungkapkan bahwa lebih banyak muatan terakumulasi karena kaca menjadi lebih tipis dan permukaan logam yang berdekatan menjadi lebih luas.

Bagian

Bagian-bagian botol Leyden ditunjukkan pada gambar 1. Gelas bertindak sebagai isolator atau dielektrik antara pelat, selain berfungsi untuk memberi penyangga yang diperlukan. Pelat biasanya berupa lembaran tipis timah, aluminium atau tembaga.

Isolator juga digunakan untuk membuat tutup toples, misalnya kayu kering, plastik atau kaca. Penutupnya ditusuk dengan batang logam yang digantung dengan rantai yang berfungsi untuk melakukan kontak listrik dengan pelat bagian dalam.

Bahan yang dibutuhkan untuk membuat Botol Leyden

- Botol kaca, setipis mungkin

- Metal foil (alumunium, timah, tembaga, timah, perak, emas) untuk menutupi bagian internal dan eksternal botol secara terpisah.

- Penutup bahan isolasi yang dibor.

- Batang logam untuk melewati tutup berlubang dan yang di ujung dalam memiliki rantai atau kabel yang membuat kontak logam dengan lembaran bagian dalam botol. Ujung lain dari batang umumnya berakhir bulat, untuk menghindari busur listrik akibat akumulasi muatan pada ujungnya.

Gambar 2. Bagian dari botol Leyden. Sumber: Wikimedia Commons.

Berfungsi

Untuk menjelaskan akumulasi muatan listrik, perlu dimulai dengan menetapkan perbedaan antara isolator dan konduktor.

Logam bersifat konduktif karena elektron (pembawa muatan negatif unsur) dapat bergerak bebas di dalamnya. Yang tidak berarti bahwa logam selalu bermuatan, nyatanya tetap netral bila jumlah elektronnya sama dengan jumlah proton.

Sebaliknya, elektron di dalam isolator tidak memiliki mobilitas logam yang khas. Namun, dengan menggosok di antara bahan isolasi yang berbeda dapat terjadi bahwa elektron dari permukaan salah satunya lolos ke permukaan yang lain.

Kembali ke botol Leyden, dalam bentuk yang disederhanakan itu adalah lembaran logam yang dipisahkan oleh isolator dari kertas konduktif lainnya. Gambar 3 menunjukkan skema.

Gambar 3: Diagram sederhana dari botol Leyden dan bagaimana botol tersebut memperoleh muatan. Sumber: Fanny Zapata.

Misalkan pelat eksternal diarde, baik dengan pegangan tangan atau dengan kabel. Saat didekati oleh batang yang bermuatan positif dengan menggosok, batang yang terhubung ke pelat bagian dalam menjadi terpolarisasi. Hal ini menyebabkan pemisahan muatan dalam rakitan pelat dalam batang.

Elektron di pelat luar tertarik ke muatan positif di pelat yang berlawanan dan lebih banyak elektron mencapai pelat luar dari tanah.

Ketika sambungan ini putus, pelat menjadi bermuatan negatif dan ketika batang dipisahkan, pelat dalam menjadi bermuatan positif.

Kapasitor atau kapasitor

Botol Leyden adalah kapasitor pertama yang diketahui. Kapasitor terdiri dari dua pelat logam yang dipisahkan oleh isolator dan mereka terkenal di bidang listrik dan elektronik sebagai elemen rangkaian yang sangat diperlukan.

Kapasitor paling sederhana terdiri dari dua pelat datar dengan luas A yang dipisahkan oleh jarak d yang jauh lebih kecil dari ukuran pelat.

Kapasitas C untuk menyimpan muatan dalam kapasitor pelat datar sebanding dengan luas A pelat, dan berbanding terbalik dengan jarak d antar pelat. Konstanta proporsionalitas adalah permitivitas listrik ε dan diringkas dalam persamaan berikut:

Kapasitor yang dibentuk oleh botol Leyden dapat didekati dengan dua pelat silinder konsentris dengan jari-jari a internal dan jari-jari b untuk pelat luar dan tinggi L. Perbedaan jari-jarinya justru pada ketebalan kaca d yang merupakan pemisahan antar pelat.

Kapasitas C kapasitor pelat silinder diberikan oleh:

Seperti yang dapat disimpulkan dari ungkapan ini, semakin panjang panjang L, semakin besar kapasitas yang dimiliki perangkat.

Kapasitas botol Leyden

Dalam hal ketebalan atau pemisahan d jauh lebih kecil dari jari-jari, maka kapasitas dapat diperkirakan dengan ekspresi pelat datar sebagai berikut:

Pada persamaan sebelumnya p adalah keliling pelat silinder dan L adalah tinggi.

Terlepas dari bentuknya, muatan maksimum Q yang dapat diakumulasi kapasitor sebanding dengan tegangan muatan V, kapasitas kapasitor C adalah konstanta proporsionalitas.

Q = C ⋅ V

Botol Leyden buatan sendiri

Dengan bahan yang tersedia di rumah dan beberapa keterampilan manual, Anda dapat meniru Profesor Musschenbroek dan membuat botol Leyden. Untuk ini, Anda membutuhkan:

- 1 gelas atau toples plastik, seperti mayonaise.

- 1 penutup isolasi plastik berlubang yang akan dilalui kawat atau kabel yang kaku.

- Strip aluminium foil dapur berbentuk persegi panjang untuk menutupi, menempel atau menempel pada bagian dalam dan luar toples. Penting agar lapisan aluminium tidak mencapai tepi toples, bisa sedikit lebih tinggi dari setengahnya.

- Kabel fleksibel tanpa sekat yang disambung ke bagian dalam batang, sehingga bersinggungan dengan aluminium foil yang menutupi bagian dalam dinding botol.

- Bola logam (diletakkan di atas tutupnya untuk menghindari efek paku).

- Kabel tanpa sekat yang akan dipasang pada lembaran aluminium luar.

- Penggaris dan gunting.

- selotip.

Catatan: Versi lain yang menghindari pekerjaan menempatkan aluminium foil di bagian dalam adalah mengisi botol atau toples dengan larutan air dan garam, yang akan berfungsi sebagai pelat bagian dalam.

Proses

Tutupi botol bagian dalam dan luar dengan strip aluminium foil, jika perlu dipasang dengan pita perekat, berhati-hatilah agar tidak melebihi bagian tengah botol terlalu banyak.

- Dengan hati-hati tusuk tutupnya untuk melewati kawat tembaga atau kabel tanpa penutup isolasi, untuk menempatkan aluminium foil bagian dalam botol bersentuhan dengan bagian luar, di mana bola konduktif harus ditempatkan tepat di atas tutup.

- Lebih banyak kawat tanpa sekat digunakan untuk mengikat jaket luar dan membuat semacam pegangan. Seluruh perakitan harus terlihat seperti yang ditunjukkan pada gambar 1 dan 4.

Gambar 4. Botol Leyden. Sumber: F. Zapata.

Eksperimen

Setelah botol Leyden dibuat, Anda dapat bereksperimen dengannya:

Eksperimen 1

Jika Anda memiliki TV atau monitor lama dengan layar sinar katoda, Anda dapat menggunakannya untuk mengisi daya botol. Untuk melakukan ini, pegang botol dengan satu tangan pada pelat luar, sambil menutup kabel yang menghubungkan ke bagian dalam dan menyentuh layar.

Kabel yang diikat ke luar harus dekat dengan kabel yang berasal dari dalam botol. Perhatikan bahwa percikan api terjadi, yang menunjukkan bahwa botol telah terisi listrik.

Eksperimen 2

Jika Anda tidak memiliki layar yang sesuai, Anda dapat memasukkan botol Leyden dengan mendekatkannya ke kain wol yang baru saja Anda ambil dari pengering pakaian. Pilihan lain untuk sumber pengisian daya adalah dengan mengambil sepotong tabung plastik (PVC) yang sebelumnya telah diampelas untuk menghilangkan lemak dan pernis. Gosok tabung dengan handuk kertas sampai terisi cukup.

Referensi

1. Botol Leyden. Diperoleh dari: es.wikipedia.org
2. Instrumen listrik. Leyden Jar. Diperoleh dari: Brittanica.com
3. Endesa mendidik. Eksperimen: Botol Leyden. Dipulihkan dari: youtube.com.
4. Leyden Jar. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org.
5. Fisika tabung Leyden di "MacGyver". Diperoleh dari: wired.com
6. Tippens, P. Fisika: Konsep dan Aplikasi. 516-523.