BOUTEILLE LEYDE: PIÈCES, FONCTIONNEMENT, EXPÉRIENCES - PHYSIQUE - 2025

La bouteille Leyden est une bouteille ou un bocal en verre fin, qui contient une feuille métallique bien ajustée à l'intérieur et un autre film métallique bien ajusté à l'extérieur.

C'est le premier appareil électrique de l'histoire qui a servi à stocker des charges électriques simplement en le touchant, soit par la tige, soit par la tôle extérieure, avec une barre préalablement chargée par friction (effet triboélectrique) ou par induction électrostatique. Une source de tension telle qu'une cellule ou une batterie peut également être utilisée.

Figure 1. La figure montre une bouteille Leyden typique. La feuille intérieure est l'une des plaques de condensateur et la feuille extérieure est l'autre plaque. Source: Wikimedia Commons. Branche

L'histoire

L'invention de la bouteille de Leyde est attribuée à Pieter van Musschenbroek, professeur de physique à l'Université de Leyde en 1745. Indépendamment et simultanément, l'inventeur allemand Ewald Georg von Kleist a également réussi à stocker l'électricité statique avec des bouteilles similaires, anticipant la Néerlandais.

Musschenbroek a eu l'aide d'un avocat du nom de Cunaeus, qu'il avait invité dans son laboratoire de Leyde. Ce personnage sagace a été le premier à remarquer que la charge s'accumulait en tenant le flacon avec sa main pendant que la barre ou l'aiguille était chargée avec la machine électrostatique.

Après que le professeur Musschenbroek ait surpris tout le monde avec son invention, la prochaine amélioration de la bouteille de Leyden, lorsque l'appareil a finalement été baptisé, a été réalisée en 1747 grâce à John Bevis, un médecin, chercheur et enfin l'astronome qui a découvert la nébuleuse du crabe.

Bevis a observé que si vous couvriez l'extérieur de la bouteille avec une feuille mince, il n'était pas nécessaire de la tenir avec votre main.

Il s'est également rendu compte qu'il n'était pas nécessaire de le remplir d'eau ou d'alcool (la bouteille originale de Musschenbroek était remplie de liquide) et qu'il suffisait de recouvrir la paroi intérieure de la bouteille avec une feuille métallique en contact avec la tige qui traverse le bouchon.

Des expériences ultérieures ont révélé que plus de charge s'accumulait à mesure que le verre devenait plus mince et la surface métallique adjacente plus étendue.

les pièces

Les pièces d'une bouteille de Leyde sont représentées sur la figure 1. Le verre agit comme un isolant ou diélectrique entre les plaques, en plus de servir à leur donner le support nécessaire. Les plaques sont généralement de fines feuilles d'étain, d'aluminium ou de cuivre.

Un isolant est également utilisé pour fabriquer le couvercle du pot, par exemple en bois sec, en plastique ou en verre. Le couvercle est percé d'une tige métallique à laquelle pend une chaîne qui sert à établir un contact électrique avec la plaque interne.

Matériel nécessaire pour fabriquer la bouteille de Leyden

- Bouteille en verre, aussi fine que possible

- Feuille métallique (aluminium, étain, cuivre, plomb, argent, or) pour recouvrir séparément, la partie interne et externe de la bouteille.

- Couvercle en matériau isolant percé.

- Tige métallique pour passer à travers le couvercle perforé et qui à l'extrémité intérieure a une chaîne ou un câble qui fait contact métallique avec la feuille intérieure de la bouteille. L'autre extrémité de la tige se termine généralement par une sphère, pour éviter les arcs électriques dus aux charges accumulées aux extrémités.

Figure 2. Parties d'une bouteille Leyden. Source: Wikimedia Commons.

Fonctionnement

Pour expliquer l'accumulation de charge électrique, il faut commencer par établir la différence entre les isolateurs et les conducteurs.

Les métaux sont conducteurs car les électrons (porteurs de charge élémentaire négative) peuvent se déplacer librement à l'intérieur d'eux. Ce qui ne veut pas dire que le métal est toujours chargé, en fait il reste neutre lorsque le nombre d'électrons est égal au nombre de protons.

En revanche, les électrons à l'intérieur des isolants n'ont pas la mobilité typique des métaux. Cependant, en frottant entre différents matériaux isolants, il peut arriver que des électrons de la surface de l'un d'eux passent à la surface de l'autre.

Pour en revenir à la bouteille de Leyden, sous forme simplifiée, il s'agit d'une feuille métallique séparée par un isolant d'une autre feuille conductrice. La figure 3 montre un schéma.

Figure 3: Schéma simplifié de la bouteille de Leyden et comment il acquiert la charge. Source: Fanny Zapata.

Supposons que la plaque externe soit mise à la terre, soit à la main, soit par un fil. Lorsqu'elle est approchée par une tige chargée positivement par frottement, la tige reliée à la plaque intérieure se polarise. Cela conduit à une séparation des charges dans l'ensemble tige-plaque intérieure.

Les électrons de la plaque extérieure sont attirés par les charges positives de la plaque opposée et davantage d'électrons atteignent la plaque extérieure à partir du sol.

Lorsque cette connexion est rompue, la plaque devient chargée négativement et lorsque la tige est séparée, la plaque intérieure devient chargée positivement.

Condensateurs ou condensateurs

La bouteille de Leyden était le premier condensateur connu. Un condensateur se compose de deux plaques métalliques séparées par un isolant et elles sont bien connues en électricité et en électronique comme des éléments de circuit indispensables.

Le condensateur le plus simple est constitué de deux plaques planes de surface A séparées par une distance d bien inférieure à la taille des plaques.

La capacité C à stocker la charge dans un condensateur à plaque plate est proportionnelle à la surface A des plaques, et inversement proportionnelle à l'espacement d entre les plaques. La constante de proportionnalité est la permittivité électrique ε et elles sont résumées dans l'expression suivante:

Le condensateur formé par la bouteille de Leyde peut être approché par deux plaques cylindriques concentriques de rayons a interne et de rayon b pour la plaque externe et de hauteur L. La différence des rayons est précisément l'épaisseur du verre d qui est la séparation entre les plaques.

La capacité C d'un condensateur à plaque cylindrique est donnée par:

Comme on peut le déduire de cette expression, plus la longueur L est longue, plus le dispositif a de capacité.

Capacité de la bouteille Leyden

Dans le cas où l'épaisseur ou la séparation d est bien inférieure au rayon, alors la capacité peut être approximée par l'expression des plaques plates comme suit:

Dans l'expression précédente, p est le périmètre de la plaque cylindrique et L est la hauteur.

Quelle que soit la forme, la charge maximale Q qu'un condensateur peut accumuler est proportionnelle à la tension de charge V, la capacité C du condensateur étant la constante de proportionnalité.

Q = C ⋅ V

Bouteille de Leyden maison

Avec des matériaux facilement disponibles à la maison et quelques compétences manuelles, vous pouvez imiter le professeur Musschenbroek et construire une bouteille Leyden. Pour cela, vous avez besoin de:

- 1 pot en verre ou en plastique, comme la mayonnaise.

- 1 couvercle isolant en plastique perforé à travers lequel un fil ou un câble rigide sera passé.

- Bandes rectangulaires de papier d'aluminium de cuisine pour couvrir, coller ou adhérer à l'intérieur et à l'extérieur du pot. Il est important que le revêtement en aluminium n'atteigne pas le bord du pot, il peut être un peu supérieur à la moitié.

- Un câble flexible sans isolation qui est épissé à l'intérieur de la tige, de sorte qu'il entre en contact avec la feuille d'aluminium qui recouvre l'intérieur de la paroi de la bouteille.

- Sphère métallique (se place sur le dessus du couvercle pour éviter l'effet de pointes).

- Câble sans isolation qui sera attaché à la feuille d'aluminium extérieure.

- Règle et ciseaux.

- Ruban adhésif.

Remarque: Une autre version qui évite le travail de placer la feuille d'aluminium à l'intérieur est de remplir la bouteille ou le bocal avec une solution d'eau et de sel, qui fera office de plaque intérieure.

Processus

Couvrir la bouteille à l'intérieur et à l'extérieur avec les bandes de papier d'aluminium, si nécessaire elles sont fixées avec le ruban adhésif, en prenant soin de ne pas trop dépasser le milieu de la bouteille.

- Percer soigneusement le capuchon pour faire passer le fil de cuivre ou le câble sans couvercle isolant, pour mettre la feuille d'aluminium intérieure du flacon en contact avec l'extérieur, là où la sphère conductrice doit être placée juste au-dessus du capuchon.

- Plus de fil sans isolation est utilisé pour lier la gaine extérieure et faire une sorte de poignée. L'ensemble doit ressembler à ce qui est montré dans les figures 1 et 4.

Figure 4. Bouteille de Leyden. Source: F. Zapata.

Expériences

Une fois la bouteille Leyden construite, vous pouvez l'expérimenter:

Expérience 1

Si vous avez un vieux téléviseur ou un ancien moniteur avec un écran cathodique, vous pouvez l'utiliser pour charger la bouteille. Pour ce faire, tenez le flacon d'une main par la plaque extérieure, tout en rapprochant le câble qui se connecte à la partie intérieure et en touchant l'écran.

Le câble attaché à l'extérieur doit être proche du câble venant de l'intérieur de la bouteille. Notez qu'une étincelle se produit, indiquant que la bouteille est chargée électriquement.

Expérience 2

Si vous ne disposez pas d'un écran adapté, vous pouvez charger la bouteille Leyden en la tenant près d'un chiffon en laine que vous venez de sortir du sèche-linge. Une autre option pour la source de charge est de prendre un morceau de tube en plastique (PVC) qui a été préalablement poncé pour enlever la graisse et le vernis. Frottez le tube avec une serviette en papier jusqu'à ce qu'il soit suffisamment chargé.

Références

1. Bouteille de Leyde. Récupéré de: es.wikipedia.org
2. Instruments électriques. Leyden Jar. Récupéré de: Brittanica.com
3. Endesa éduque. Expérience: bouteille de Leyden. Récupéré de: youtube.com.
4. Leyden Jar. Récupéré de: en.wikipedia.org.
5. La physique de la jarre Leyden dans "MacGyver". Récupéré de: wired.com
6. Tippens, P. Physique: concepts et applications. 516-523.