Устройство предназначено для обнаружения наличия определенного типа заряда путем переноса электронов с сильно заряженных участков на разряженные поверхности. Кроме того, он может определить величину электрического импульса объекта, принимая во внимание реакцию пластин. Сфера на кончике прибора является приемником заряда субъекта.
Электроскоп, электрометр. Устройство, принцип работы электроскопа и электрометра
Электроскоп («электро» — электрический, «скопио» — наблюдать) — инструмент для обнаружения электрических зарядов и определения их приблизительной величины. Помимо прочего, заряженный электроскоп можно использовать для определения того, насколько сильно заряжено тело (положительно или отрицательно).
Это устройство основано на том, что одинаково заряженные тела отталкиваются друг от друга.
Устройство электроскопа
Рассматриваемый здесь электроскоп состоит из двух золотых листочков в корпусе (см. рис. 1), которые не соприкасаются с телом. Они подвешены к металлическому стержню в центре корпуса. Изолятор обеспечивает изоляцию металлического стержня (и, соответственно, двух золотых листов) от корпуса. В этой конструкции два золотых листа являются подвижными.
Поворачивая лопасти электроскопа, вы также можете определить, увеличился или уменьшился заряд электроскопа. Чем больше угол, на который отодвигаются лезвия электроскопа, тем сильнее он электризуется. Поэтому чем больше электрический заряд, тем он больше.
В очень похожей конструкции (рис. 1 — справа) подвижной является только металлическая стрелка, которая также соединена с зоной вне корпуса металлическим стержнем. Эта конструкция также называется индикаторным электроскопом. Если конструкция также имеет калиброванную шкалу, то все устройство называется электрометром.
Другими словами, электрометр — это прибор, основным компонентом которого является легкий металлический индикатор (обычно из алюминия), который может вращаться вокруг вертикальной оси. Угол наклона стрелки электрометра позволяет судить о величине заряда, переданного на электродный стержень электрометра. С помощью считывающего устройства можно определить величину электрического заряда.
Другая конструкция электроскопа описана в учебнике физики 8 класса 1:
Электроскоп представляет собой стеклянный цилиндр с металлическим стержнем, вставленным через пробку. Легкие листы бумаги прикреплены к концу стержня. К внешней стороне стержня прикреплен металлический шар. Если мы передаем, например, отрицательный заряд сфере электроскопа, мы заряжаем этим зарядом пластины электроскопа. Пластины с одинаковым зарядом расходятся на определенный угол тем больше, чем больше заряд, переданный электроскопу.
Как работает электроскоп?
Теперь вы знаете структуру электроскопа. Но как именно работает электроскоп? Для этого нам необходимы знания об электростатической индукции и отталкивании равных электрических зарядов. Далее мы рассмотрим эти явления более подробно.
Электростатическая индукция (электричество под воздействием) .
Чтобы объяснить электростатическую индукцию, представьте, что вы стоите перед двумя металлическими стержнями (см. рис. 2). Один из двух стержней не заряжен, другой несет положительный заряд.
Теперь мысленно возьмите в руку положительно заряженный металлический стержень. Что произойдет, если до незаряженного металлического стержня дотянуться этим заряженным стержнем, не касаясь его? Положительные заряды заряженного стержня притягивают отрицательные заряды и отталкивают положительные заряды незаряженного стержня. Поскольку два металлических стержня не соприкасаются, носители отрицательного заряда не могут «перепрыгнуть» с незаряженного стержня на заряженный. Это означает, что правый конец незаряженного стержня заряжен положительно, а левый — отрицательно, но металлический стержень в целом остается незаряженным. Этот тип переноса заряда называется электростатической индукцией.
Закон Кулона .
Теперь не хватает только ответа на вопрос, почему подобные заряды отталкиваются друг от друга и как эти два явления (электростатическая индукция и отталкивание подобных зарядов) объясняют принцип работы электроскопа.
То, что подобные заряды отталкиваются друг от друга, было экспериментальным наблюдением. Шарль Огюстен де Кулон смог вывести математическую зависимость для силы, действующей между двумя зарядами на определенном расстоянии, с помощью эксперимента с вращающимися весами. Эта математическая зависимость называется законом Кулона (сила называется кулоновской силой). То, как сформулирован этот закон, не имеет значения для данной статьи. Важно то, что одноименные заряды отталкиваются друг от друга.
Как все это работает в электроскопе?
Выше мы описали необходимые нам явления. Теперь давайте посмотрим, как они объясняют работу электроскопа.
Два золотых листа соединены с «внешним миром (областью вне тела)» металлическим стержнем. Сначала они разряжаются и висят вертикально вниз.
Теперь возьмите предмет, который вы хотите проверить на наличие электрического заряда. Предположим, что объект электрически заряжен. Вы начинаете приближать его к металлическому стержню. Это приводит к смещению заряда внутри металлического стержня. Электростатическая индукция приводит к тому, что два золотых листа имеют заряд одинакового знака.
В результате две пластины отталкиваются друг от друга, и таким образом можно успешно обнаружить электрический заряд. Обратите внимание, что вы знаете только то, что объект электрически заряжен. Однако вы не можете определить, положительно или отрицательно он заряжен.
Электроскоп
С помощью электроскопа можно обнаружить электрический заряд и оценить его приблизительный размер.
Рисунок 1. Электроскоп состоит из металлического стержня с чашкой, прикрепленной к одной стороне, и двух полосок бумаги, прикрепленных к другой стороне. Некоторые электроскопы оснащены шкалой.
Конструкция прибора следующая. Металлический стержень вставляется вертикально в металлический корпус (рис. 1).
К одной стороне стержня прикреплена металлическая чашка. Тарелка расположена на верхнем конце стержня, вне корпуса электроскопа.
Две тонкие полоски бумаги прикреплены к другому концу стержня, который находится внутри держателя.
Между штоком и корпусом находится пластиковая заглушка. Он предотвращает передачу нагрузки со стержня на корпус.
Корпус имеет стеклянные окна с обеих сторон, чтобы можно было наблюдать за поведением бумажных полосок.
В корпус также встроены весы. Это поможет вам определить углы, под которыми полоски бумаги отклоняются друг от друга.
Некоторые электроскопы имеют более простую конструкцию (рис. 2), где стержень с лезвиями вставляется в стеклянную колбу. В этих простых устройствах не предусмотрена шкала.
Рисунок 2. Импровизированный электроскоп не содержит шкалы; металлический стержень с полосками бумаги вставляется в стеклянную колбу.
Как пользоваться электроскопом
Рассмотрим ненагруженный электроскоп. Положим кусок эбонита, натертый шерстью, в таз. Листья удаляются (рис. 3). Исходное положение листьев показано пунктирными линиями.
Рис. 3. Когда заряженный объект вносят в чашу незаряженного электроскопа, бумажные полоски отрываются друг от друга.
Чем больше заряд передаваемого электрического тела, тем больше углы расхождения бумажных полос.
Теперь зарядите электроскоп положительным зарядом. Для этого прикоснитесь к чашке кусочком стекла, натертого шелком.
Прикасаясь к чашечке электроскопа, можно передать ей заряд. Чем больше заряд, тем сильнее отклоняются листья.
Теперь поместим тело с таким же — положительным — знаком заряда в чашку положительно заряженного прибора. Мы не будем прикасаться к мензурке телом.
Мы увидим, что листья сгибаются еще больше (рис. 4).
Рисунок 4. Если в чашку электроскопа внести (+) заряженное тело, то полоски будут отклоняться сильнее.
Если в чашку заряженного прибора поместить заряд противоположного знака, то угол между створками уменьшается (рис. 5).
Рисунок 5. Если (+) электроды ввести в чашку заряженного (+) электродного узла, полосы приближаются друг к другу и угол отклонения становится меньше
Если вы знаете знак электроскопа, вы можете определить знак заряда тела.
По углу отклонения бумажных полосок можно судить о том, уменьшается или увеличивается заряд на электроскопе.
Чем больше угол, тем сильнее наэлектризован прибор, тем сильнее заряд.
Электрометр
Другим прибором, который можно использовать для оценки заряда, является электрометр.
Этот прибор отличается от электроскопа тем, что вместо полосок бумаги он содержит легкую металлическую стрелку (рис. 6), которая хорошо сбалансирована и может поворачиваться от стержня под разными углами. Ось вращения стрелки проходит через ее центр, а максимальный угол отклонения составляет около 90 градусов.
Рисунок 6. Электрометр содержит тонкую металлическую стрелку вместо двух полосок бумаги.
Когда к электрометру прикладывается заряд, стрелка заряжается от стержня, отталкивается от него и отклоняется на определенный угол.
Электрометр имеет несколько большую чувствительность, чем электроскоп. Все электрометрические конструкции обязательно содержат шкалу.
