Электроскоп, электрометр

Общие сведения

Электроскоп необходим для измерения электрических зарядов в близлежащих объектах. А также его использование позволяет определить полярность: положительную или отрицательную. Устройство физического устройства простое, устройство состоит из металлического стержня, заключенного в стеклянную колбу.

На концах две тонкие алюминиевые или золотые пластины, они соединены снизу. В этом случае конструкция закрывается изолирующей крышкой, а сверху на торце имеется специальный шарик, называемый «коллектор».

Когда электрически заряженный объект приближается к электроскопу, ламели под устройством имеют две реакции:

1. Если планки разъезжаются, значит, тело имеет такой же заряд, как и электрометр.
2. Если они соединяются, это означает, что объект имеет противоположный заряд.

Электроскопы позволяют определить, что такое накопление электрического заряда, указывая при этом знак полярности и его напряженность.

Усложненное оборудование

Электрометр представляет собой сложный прибор. Отличается от электроскопа тем, что вместо проволоки в металлический корпус опущен медный стержень. С обеих сторон контейнера стекло. К медному стержню прикреплена стрела. Кейс имеет экзаменационную шкалу. Отклонение стрелки указывает на величину заряда измеряемого тела.

Принцип работы электрометра такой же, как и у электроскопа. К металлической сфере, расположенной в верхней части, подносят заряженный предмет. Величина заряда передается через стержень на стрелу, что и вызывает ее отклонение. С помощью этого аппарата можно изучать электростатические явления.

Современные электронные приборы

Современные электрометры представляют собой электронные устройства, состоящие из усилителя и транзисторов. С помощью усилителя ток увеличивают. В результате процедура измерения совершенствуется. В качестве источника питания используется источник высокого напряжения.

Результаты полученных данных высвечиваются на экране. Это позволяет пользователю просматривать и анализировать их.

Для домашних условий иметь такое устройство не обязательно. Для определения заряда любого предмета можно использовать самодельный прибор. Работать с ним легко и не требует квалификации.

Сборка из подручных материалов

Довольно сложно изобрести новый тип устройства, способного собирать заряды. Но повторить конструкцию одного-единственного электроскопа самостоятельно, пожалуй, под силу всем желающим. Собрать счетчик можно из подручных материалов, которые наверняка найдутся дома.

Для самостоятельного оформления вам понадобятся:

• железная проволока (лучше медная);
• фольга;
• ножницы;
• шило;
• пластилин;
• банка с крышкой.

Итак, с помощью шила необходимо сделать в крышке отверстие диаметром, соответствующим толщине проволоки. Затем пропустите его через проводник. Длина вставляемого провода должна быть такой, чтобы он не доставал до дна емкости. Оптимальное расстояние до дна ящика – пять сантиметров. На конце проволоки нужно сделать крючок.

Теперь с помощью ножниц для фольги нужно отрезать две тонкие полоски длиной два сантиметра. Их целью будет именно сбор налогов. Две полоски нужно надеть на крючок одну за другой. Закройте банку крышкой, а отверстие возле проволоки заклейте пластилином. Устройство почти готово. Осталось скрутить шарик из фольги и надеть сверху на открытый конец поводка. Теперь можно продолжить тестирование устройства.

Действие такого электрометра, а именно так будет называться это самодельное устройство, основано на природном явлении. Вы можете продемонстрировать это следующим образом. Возьмите эбонитовую палочку и потрите ею о кусок ткани или, например, расческу о волосы. Затем коснитесь мяча. Заряды от наэлектризованного тела перейдут к проводнику (проводу).

До этого момента стержень был электрически нейтрален. Но теперь заряды группируются по знаку, и провод заряжается положительно или отрицательно. Фольга получает тот же знак. Из-за того, что две полоски будут иметь одинаковый тип заряда, они будут отталкиваться друг от друга.

Стоит отметить интересную особенность, редко упоминаемую в сообщениях об этом явлении. Он заключается в том, что при электризации на поверхности проводников размещаются заряды одного знака. Это связано с тем, что они отталкивают друг друга, поэтому и выталкиваются на поверхность.

История создания

Впервые отчет об изобретении электроскопа написал физик и врач Уильям Гилберт, работавший в Великобритании во времена правления Елизаветы Первой. Этот ученый также является «отцом» электромагнетизма благодаря его большому вкладу в науку 17 века. В 1601 году он создал первое устройство для экспериментов с электричеством.

Первое устройство, получившее название версориум, представляло собой конструкцию, в которой металлическая игла свободно вращалась на специальном постаменте. Конфигурация этого устройства очень напоминала обычный компас, но это была не намагниченная стрелка. Концы визуально отделены друг от друга. Кроме того, один конец имел отрицательный заряд, а другой положительный.

Принцип действия был основан на импульсах, возникающих на концах за счет электромагнитной индукции. То есть, учитывая, какая сторона иглы располагалась как можно ближе к предмету, реакция конца была либо отталкивать, либо притягиваться к предмету.

В начале 1783 года известный итальянский физик Алессандро Вольта создал конденсационный электрометр с повышенной чувствительностью для определения электрических зарядов.

Но наибольшего успеха добился астроном и математик из Германии Иоганн Готтлиба, он изобрел аппарат с золотым листом. Конструкция этого устройства аналогична конструкции, используемой в наше время. Оборудование имело стеклянный колпак со стальным шаром сверху.

При этом последний соединялся проводником с двумя тонкими золотыми пластинами. Пластины соединялись или расходились с учетом приближения электрически заряженного объекта.

Принцип работы

Электрометр — это устройство, используемое для обнаружения статического электричества вблизи объектов, использующее эффект сцепления внутренних тонких металлических пластин из-за электростатического притяжения. Статическое поле появляется снаружи объекта из-за трения или постоянной нагрузки.

Устройство предназначено для определения наличия типа заряда по переносу электронов с сильно заряженных участков на разряженные поверхности. Кроме того, с учетом реакции пластин это позволяет определить величину электрического импульса на объект. Сфера, которая размещается поверх устройства, является получателем стоимости предмета исследования.

Когда электростатически заряженный объект приближается к устройству, он получает такой же электрический заряд от объекта. То есть, если вы приблизитесь к объекту, который заряжен положительно, такой же заряд будет передан устройству.

Если на электрометре уже был известный электрический импульс, можно увидеть следующее:

1. Если объект загружен одинаково, металлические пластины в устройстве разъединятся.
2. И наоборот, если тело заряжено противоположно, стальные пластины будут хорошо соединены друг с другом.

Металлические пластины в приборе должны быть легкими, чтобы масса могла компенсировать действие электрических сил отталкивания. Так что, если вы отодвинете объект от устройства, поляризация в пластинах уменьшится, и они останутся в своем естественном положении («закрытые»).

Электроскоп — прибор для обнаружения статического электричества в близлежащих предметах, использующий явление разделения их внутренних ламелей за счет электростатического отталкивания. Статическое электричество может накапливаться на внешней поверхности любого тела из-за естественного заряда или трения.

Электроскоп предназначен для обнаружения этих типов зарядов за счет переноса электронов с сильно заряженных поверхностей на менее электрически заряженные поверхности. Кроме того, в зависимости от реакции ламелей он может также дать представление о величине электростатического заряда окружающего предмета.

Сфера, помещенная сверху электроскопа, действует как принимающая единица для электрического заряда изучаемого объекта.

Если поднести электрически заряженное тело ближе к электроскопу, оно приобретет такой же электрический заряд, что и тело; то есть, если мы приблизимся к электрически заряженному объекту с положительным знаком, электроскоп получит такой же заряд.

Если электроскоп предварительно зарядить известным электрическим зарядом, произойдет следующее:

• Если тело имеет одинаковый заряд, металлические пластинки внутри электроскопа отделятся друг от друга, так как оба будут отталкиваться друг от друга.
• Если, с другой стороны, предмет имеет противоположный заряд, металлические ламели на дне бутылки останутся прикрепленными друг к другу.

Пластины внутри электроскопа должны быть очень легкими, чтобы вес уравновешивался действием электростатических сил отталкивания. При удалении объекта исследования из электроскопа ламели теряют свою поляризацию и возвращаются в естественное состояние (закрытые).

Как это электрически заряжено?

Факт зарядки электроскопа электрически необходим для возможности определения характера электрического заряда объекта, к которому мы приближаем прибор. Если заряд электроскопа заранее неизвестен, невозможно будет определить, является ли заряд объекта таким же или противоположным заряду..

Перед зарядкой электроскопа он должен находиться в нейтральном состоянии; то есть с равным количеством протонов и электронов внутри. По этой причине рекомендуется заземлить электроскоп перед зарядкой, чтобы обеспечить нейтральную нагрузку устройства..

Разрядку электроскопа можно осуществить, коснувшись его металлическим предметом, чтобы последний разрядил на землю имеющийся внутри электроскопа электрический заряд..

Есть два способа зарядить электроскоп перед его тестированием. Ниже приведены наиболее важные аспекты каждого из них.

По индукции

Он включает в себя зарядку электроскопа без прямого контакта с ним; то есть только при приближении к объекту, нагрузка которого известна принимающей сфере.

По контакту

Коснувшись приемной сферы электроскопа непосредственно предметом с известным зарядом.

Где используется электроскоп

Электроскопы используются, чтобы определить, заряжено ли тело электрически, и различить, имеет ли оно отрицательный или положительный заряд. В настоящее время электроскопы используются в экспериментальной области для демонстрации с их помощью обнаружения электростатических зарядов в электрически заряженных телах..

Вот некоторые из основных функций электроскопа:

• Обнаружение электрических зарядов в близлежащих объектах. Если электроскоп реагирует на приближение тела, то это потому, что последнее электрически заряжено.
• Различать вид электрического заряда, которым обладают электрически заряженные тела, при оценке открытия или закрытия металлических пластин электроскопа в зависимости от начального электрического заряда электроскопа.
• Электроскоп также используется для измерения излучения окружающей среды в присутствии радиоактивного материала по тому же принципу электростатической индукции..
• Это устройство также можно использовать для измерения количества ионов, присутствующих в воздухе, путем оценки скорости заряда и разряда электроскопа в контролируемом электрическом поле..

Сегодня электроскопы широко используются в лабораторных условиях в школах и университетах, чтобы продемонстрировать учащимся различных уровней образования использование этого устройства в качестве детектора электростатического заряда..

Устройство электроскопа

Электроскоп, который мы собираемся рассмотреть, состоит из двух золотых листьев внутри коробки (см рис. 1 ниже). Золотые листья не имеют никакого отношения к материи. Они висят на металлическом стержне посредине корпуса. Изолятор обеспечивает изоляцию металлического стержня (и, следовательно, двух золотых лепестков) от корпуса. В этой конструкции обе золотые створки подвижны.

Отклоняя лезвия электроскопа, можно также определить, увеличился или уменьшился заряд. Чем на больший угол расходятся лопасти электроскопа при его наэлектризации, тем сильнее он наэлектризован. Это означает, что чем больше электрический заряд на нем.

В конструкции, очень похожей на эту (изображение 1 — справа), подвижна только металлическая стрелка, которая также соединена с площадкой снаружи корпуса металлическим стержнем. Эту конструкцию также называют указывающим электроскопом. Если в конструкции имеется еще и калиброванная шкала, весь прибор называется электрометром.

Другими словами, электрометром можно назвать прибор, основной частью которого является легкая металлическая игла (чаще всего алюминиевая), которая может вращаться вокруг вертикальной оси. О количестве заряда, перенесенного на стержень электрометра, можно судить по углу отклонения стрелки электрометра. Калиброванный прибор может определить величину электрического заряда.

Рисунок 1. Конструкция электроскопа

Еще одна конструкция электроскопа описана в школьном учебнике физики для 8 класса 1:

Электроскоп представляет собой стеклянный сосуд с металлическим стержнем, вставленным в пробку. К концу шеста крепятся легкие листы бумаги. Снаружи к стержню прикреплен металлический шарик. Когда мы переносим на шарик электроскопа, например, отрицательный заряд, мы заряжаем этим зарядом лопатки электроскопа.

Одинаково заряженные лезвия расходятся под определенным углом, тем больше, чем больший заряд передается электроскопу.

Читайте также: Что такое электроустановка и их классификация

Особенности проверки работоспособности

Для проверки работоспособности можно использовать уже описанные теоретические концепции. Для этого сделайте следующее:

• Убедитесь, что электрометр разряжен: Для этого прикоснитесь к нему железным стержнем, чтобы снять заряд в приборе.
• Затем нужно зарядить устройство, для этого необходимо потереть баллон о кусок шерстяной ткани.
• Поднесите шарик к медной катушке, и начнется индуктивная зарядка.
• Следите за реакцией треугольников фольги, они начнут отдаляться друг от друга, так как обе ламели имеют одинаковый заряд.

Не забывайте, что немаловажное значение для проводимости тех или иных объектов имеет состояние внешней среды. Например, если повышается влажность, в этом случае некоторые предметы играют роль проводников.

Лин может это наглядно продемонстрировать. Так как оно обычно наблюдается только в то время, когда идет дождь, то есть при высокой влажности воздуха, следовательно, воздух может пропускать электрический заряд, хотя в солнечную погоду этого не происходит. Воздух является проводником только при изменении влажности. Если это влияет на измерение, попробуйте протестировать устройство в сухие дни.

Чтобы доказать это, вы можете использовать теоретические концепции, описанные ранее в статье, как описано ниже:

• Убедитесь, что электроскоп разряжен, прикоснувшись к нему металлическим стержнем, чтобы стереть оставшийся заряд с устройства.
• Зарядите объект электрическим током: потрите мяч о шерстяную ткань, чтобы зарядить поверхность мяча электростатическим зарядом.
• Поднесите заряженный предмет ближе к медной катушке: при такой практике электроскоп будет заряжаться индукцией, а электроны от шара перейдут в электроскоп.
• Посмотрите на реакцию металлических пластин: треугольники из алюминиевой фольги будут отдаляться друг от друга, потому что обе пластины имеют одинаковый заряд (в данном случае отрицательный).

Попробуйте проводить такие тесты в засушливые дни, так как влажность имеет тенденцию влиять на эти типы домашних экспериментов, поскольку затрудняет перемещение электронов с одной поверхности на другую.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, как работает физическое устройство, называемое электроскопом. С его помощью можно обнаруживать и измерять электрические заряды, а также демонстрировать их взаимодействие друг с другом. Этот прибор сыграл важную роль на ранних этапах изучения электрических явлений. С его помощью ученые смогли изучить многие свойства электрических зарядов.

Изготовление своими руками

сделать свой собственный простой электроскоп довольно легко. Необходимые детали легко купить, а сборка выполняется очень быстро.

• герметичная пробка для закрытия банки;
• банка напрямую (сухая и чистая);
• плоскогубцы;
• медная проволока сечением 1,5 мм;
• обычная фольга;
• ножницы;
• кусок шерстяного материала;
• воздушный шар.

Для начала нужно отрезать медную проволоку длиной около 25 см. Один ее конец загибаем в виде спирали. Он будет играть роль сферы-приемника электрического заряда. Этот шаг важен, поскольку спираль способствует переносу электронов от исследуемого объекта к электрометру благодаря большой площади поверхности. Сделайте отверстие в пробке и проденьте нить. Сделайте L-образный изгиб в нижней части.

Вырежьте два листа фольги в форме треугольника примерно 4 см. Самое главное, что эти планки одинаковые. Убедитесь, что они достаточно большие, чтобы не касаться внутренней части стекла. Пластины крепятся к проволоке через два предварительно сделанных отверстия в фольге.

Необходимо постараться сделать скольжение ламелей максимально плавным. Аккуратно закупорьте стекло, чтобы не повредить треугольники и не испортить сборку.

Обе пластины должны соприкасаться друг с другом, когда контейнер запечатан. Если связи нет, меняйте изгиб проволоки до тех пор, пока планки не соприкоснутся друг с другом.

Электрометр

Еще один прибор, с помощью которого можно рассчитать заряд, называется электрометр.

Его устройство отличается от электроскопа тем, что вместо полосок бумаги содержит стрелку из легкого металла. Он хорошо сбалансирован и может вращаться, отклоняться от удилища на разные углы. Ось вращения стрелки проходит через центр, а максимальный угол отклонения составляет около 90 градусов.

Когда мы сообщаем электрометру заряд, стрелка заряжается от стержня, отталкивается от него и отклоняется на некоторый угол.

Электрометр немного более чувствителен, чем электроскоп. Во всех конструкциях электрометров обязательно присутствует шкала.

Механические электрометры

Первый электроскоп изобрел итальянский физик А. Вольта: прибор состоял из металлического стержня, продетого через резиновую пробку, закрывавшую стеклянную бутылку. Верхний конец металлического стержня заканчивался металлическим шариком, а к нижнему концу внутри бутылки подвешивались 2 соломинки.

При соединении прибора с наэлектризованным телом соломинки, как и одноименные наэлектризованные тела, отталкивались, и, таким образом, можно было судить о том, заряжено данное тело или нет.

Дальнейшее усовершенствование приборов этого типа заключалось в том, что вместо соломинок стали подвешивать листы тонкой бумаги или тонкие листочки золота, в результате чего стало возможным обнаруживать на телах слабые заряды.

В начале 20 века электроскопы Б.Ю. Колба самый используемый и практичный из инструментов этого типа.

Электрометры Вольт.

Механические электрометры в настоящее время используются почти исключительно в образовательных целях. В науке и технике они получили широкое применение уже в первой трети 20 века (особенно при исследованиях радиоактивности и космических лучей электрометры измеряли степень потери заряда, вызванную ионизацией воздуха ионизирующим излучением).

Современные электрометры

Современные электрометры представляют собой электронные вольтметры с очень высоким входным сопротивлением, до 1014 Ом.

Как работает электроскоп?

Теперь вы знаете устройство электроскопа. Но как на самом деле работает электроскоп? Для этого нам нужны знания об электростатической индукции и отталкивании одинаковых электрических зарядов. Рассмотрим эти явления ниже.

Электростатическая индукция (электризация при ударе).

Чтобы объяснить суть электростатической индукции, представьте, что перед вами два металлических стержня (см рис. 2). Один из двух стержней не заряжен, а другой имеет положительный заряд.

Теперь мысленно возьмите в руку положительно заряженный металлический стержень. Что произойдет, если вы используете этот заряженный стержень, чтобы приблизиться к незаряженному металлическому стержню, не касаясь его? Положительные заряды в заряженном стержне притягивают отрицательные заряды и отталкивают положительные заряды в незаряженном стержне.

Поскольку два металлических стержня не соприкасаются друг с другом, никакие носители отрицательного заряда не могут «перепрыгнуть» с незаряженного стержня на заряженный. Это означает, что правый конец незаряженного стержня заряжен положительно, а левый — отрицательно, но в целом металлический стержень остается незаряженным. Этот тип переноса заряда называется электростатической индукцией.

Рис. 2. Иллюстрация электростатической индукции (слева) и переноса заряда через контакт (справа)

Закон Кулона.

На данный момент отсутствует только ответ на вопрос, почему одноименные заряды отталкиваются друг от друга и как эти два явления (электростатическая индукция и отталкивание одноименных зарядов) объясняют принцип работы электроскопа.

То, что одноименные заряды отталкиваются друг от друга, было экспериментальным наблюдением. Шарль Огюстен де Кулон смог вывести математическую зависимость силы, действующей между двумя зарядами на определенном расстоянии, экспериментируя с вращающимися весами.

Эта математическая зависимость называется законом Кулона (сила называется силой Кулона). Для данной статьи не имеет значения, как составлен этот закон. Важно то, что одноименные заряды отталкиваются друг от друга.

Рис. 3. Иллюстрация электростатического притяжения и отталкивания зарядов

Нужные нам явления мы описали выше. Теперь давайте посмотрим, как они объясняют, как работает электроскоп.

Два золотых листа соединены с «внешним миром (областью вне коробки)» металлическим стержнем. В начале они незаряжены и висят вертикально вниз.

Теперь возьмите предмет, который хотите проверить на наличие электрического заряда. Предположим, что объект электрически заряжен. Вы начинаете приближать его к металлической планке. Это приводит к сдвигу заряда внутри металлического стержня. Электростатическая индукция заставляет два золотых листа иметь заряд одного знака.

В результате два лезвия отталкиваются друг от друга, и вы тем самым демонстрируете электрический заряд. Обратите внимание, что вы знаете только то, что объект электрически заряжен. Однако вы не можете сказать, заряжен он положительно или отрицательно.

Рис. 4. Как работает электроскоп

Вам может быть интересно, как определить, заряжен ли объект (тело) положительно или отрицательно. Для этого вы заряжаете электроскоп отрицательно (рис. 5), например, через контакт, который вызывает некоторое отталкивание золотых листьев друг от друга.

Если теперь вы приблизите предмет к металлическому стержню, и золотые листочки оттолкнутся друг от друга сильнее, то вы узнаете, что предмет заряжен отрицательно. С другой стороны, если отталкивание меньше, объект заряжен положительно.

Рис. 5. Электроскоп, чтобы определить, заряжен ли объект положительно или отрицательно

Действие электрометра основано на отталкивании одноименно заряженных тел. Если придать стержню электрический заряд любого характера — например, коснувшись шара заряженной палкой, часть заряда пройдет через металлический стержень от стержня к стрелке, в результате чего стрела начинают отталкиваться от стержня и отклоняться на определенный угол.

Типы электроскопов.

Помимо электроскопа с сусальным золотом, существует множество различных конструкций. К ним относятся стрелочный электроскоп, двухстрелочный электроскоп, фольговый электроскоп, капиллярный электрометр. Хотя все конструкции звучат по-разному, основные принципы работы аналогичны тем, которые мы объяснили вам в этой статье.