Общие сведения
Электроскоп нужен, чтобы измерять электрические заряды в рядом находящихся предметах. А также его использование позволяет определить полярность: положительная или отрицательная. Схема физического устройства проста, прибор состоит из металлического стержня, который заключен в стеклянную колбу.
На окончаниях находятся две тонкие алюминиевые или золотые пластины, снизу они соединяются. При этом конструкция закрывается изоляционной крышкой, а сверху торца находится специальная сфера, которая называется «коллектор».
Во время приближения электрически заряженного предмета к электроскопу находящиеся снизу устройства ламели имеют две реакции:
- Если ламели отдаляются, это обозначает, что тело имеет такой же заряд, как электрометр.
- Если они соединяются, это обозначает, что предмет имеет противоположный заряд.
Электроскопы позволяют определять, каково накопление электрического заряда, при этом они указывают знак полярности и ее интенсивности.
История создания
Впервые доклад об изобретении электроскопа написал физик и врач Вильям Гилберт, работавший в Великобритании при правлении Елизаветы Первой. Этот ученый также является «отцом» электромагнетизма за счет большого вклада в науку в XVII столетии. Он создал первое устройство в 1601 г. для углубления опытов с электричеством.
Первый прибор, который назывался версориум, представлял собой конструкцию, где металлическая иголка свободно вращалась на специальном пьедестале. Конфигурация этого устройства сильно напоминала обычный компас, однако здесь была не намагниченная игла. Ее концы зрительно отличались между собой. Помимо этого, одно окончание имело отрицательный заряд, а второе — положительный.
Принцип работы был основан на импульсах, которые возникали на концах благодаря электромагнитной индукции. То есть с учетом того, какой стороной иголка располагалась максимально близко к предмету, реакция конца заключалась в том, чтобы отталкиваться или притягиваться к объекту.
В начале 1783 г. знаменитый физик из Италии Алессандро Вольта создал конденсационный электрометр, обладающий повышенной чувствительностью для определения электрозарядов.
Но самых больших успехов добился астроном и математик из Германии Иоганн Готтлиба, он изобрел золотой листовой прибор. Рисунок этого устройства напоминает конструкцию, которая используется в наше время. Оборудование имело стеклянный колокол со стальной сферой сверху. При этом последняя соединялась проводником с двумя тонкими золотыми листами. Пластины соединялись или расходились с учетом приближения электрического заряженного предмета.
Принцип работы
Электрометр — это прибор, который используется для выявления статического электричества около находящихся предметов, использует эффект соединения внутренних тонких металлических листов из-за электростатического притяжения. Статическое поле появляется на внешней части объекта за счет трения или происходящей нагрузки.
Устройство предназначается для определения наличия типа заряда с помощью переноса электронов с сильно заряженных участков на разряженные поверхности. Помимо этого, с учетом реакции пластин это позволяет определить величину электрического импульса предмета. Сфера, которая находится сверху прибора, является приемником заряда предмета изучения.
При приближении электростатически заряженного объекта ближе к устройству оно получит такой же электрозаряд от предмета. То есть, если подойти к объекту, который положительно заряжен, прибору передастся такой же заряд.
Если электрометр уже имел известный электрический импульс, можно увидеть следующее:
- Если объект одинаково нагружен, металлические листы, находящиеся в устройстве, разойдутся.
- И наоборот, если тело противоположно заряжено, стальные пластины будут между собой прочно соединены.
Металлические листы в приборе должны иметь легкий вес, чтобы их масса могла сбалансировать воздействие электрических сил отторжения. Так, если отодвигать предмет изучения от устройства, в пластинах снижается поляризация и они становятся в естественное положение («закрываются»).
Электроскоп — это устройство, используемое для обнаружения статического электричества в близлежащих объектах, использующее явление разделения их внутренних ламелей из-за электростатического отталкивания. Статическое электричество может накапливаться на внешней поверхности любого тела за счет естественного заряда или трения.
Электроскоп предназначен для обнаружения этих типов зарядов из-за переноса электронов с сильно заряженных поверхностей на менее электрически заряженные поверхности. Кроме того, в зависимости от реакции ламелей, он также может дать представление о величине электростатического заряда окружающего объекта.
Сфера, расположенная в верхней части электроскопа, функционирует как принимающее устройство для электрического заряда объекта исследования.
Если поднести электрически заряженное тело ближе к электроскопу, оно приобретет такой же электрический заряд, что и тело; то есть, если мы подойдем к электрически заряженному объекту с положительным знаком, электроскоп приобретет такой же заряд.
Если электроскоп предварительно заряжен известным электрическим зарядом, произойдет следующее:
- Если тело имеет одинаковый заряд, металлические ламели внутри электроскопа отделятся друг от друга, поскольку оба будут отталкиваться друг от друга.
- Напротив, если предмет имеет противоположный заряд, металлические ламели на дне бутылки останутся прикрепленными друг к другу.
Пластинки внутри электроскопа должны быть очень легкими, чтобы их вес уравновешивался действием сил электростатического отталкивания. Таким образом, при удалении объекта исследования от электроскопа ламели теряют поляризацию и возвращаются в свое естественное состояние (закрытые).
Как это электрически заряжено?
Факт зарядки электроскопа электрически необходим для того, чтобы можно было определить природу электрического заряда объекта, к которому мы подойдем к устройству. Если заряд электроскопа не известен заранее, будет невозможно определить, является ли нагрузка объекта такой же или противоположной нагрузке..
Перед зарядкой электроскопа он должен быть в нейтральном состоянии; то есть с равным количеством протонов и электронов внутри. По этой причине рекомендуется подключать электроскоп к земле перед выполнением зарядки, чтобы обеспечить нейтральность нагрузки устройства..
Разряд электроскопа можно осуществить, касаясь его металлическим предметом, так что последний разряжает электрический заряд, существующий внутри электроскопа, на землю..
Есть два способа зарядки электроскопа перед его испытанием. Ниже приведены наиболее важные аспекты каждого из этих.
По индукции
Он включает в себя зарядку электроскопа без установления прямого контакта с ним; то есть только при приближении к объекту, нагрузка которого известна принимающей сфере.
По контакту
Прикосновением к принимающей сфере электроскопа непосредственно предметом с известным зарядом.
Где используется электроскоп
Электроскопы используются, чтобы определить, является ли тело электрически заряженным, и различить, имеет ли оно отрицательный заряд или положительный заряд. В настоящее время электроскопы используются в экспериментальной области, чтобы наглядно продемонстрировать с их помощью обнаружение электростатических зарядов в электрически заряженных телах..
Некоторые из наиболее важных функций электроскопов следующие:
- Обнаружение электрических зарядов в близлежащих объектах. Если электроскоп реагирует на приближение тела, то это потому, что последний электрически заряжен.
- Различение типа 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 случае наличия радиоактивного материала из-за того же принципа 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..
Сфера использования
Электрометры применяются, чтобы узнать, заряжен ли предмет электрически, и определить, какой у него заряд: положительный или отрицательный. Сегодня эти приборы используются в экспериментальной сфере, так можно наглядно показать обнаружение электрических импульсов.
Основные функции оборудования следующие:
- Отличие типа заряда, который находится в заряженном предмете, с помощью оценки разъединения или соединения металлических листов с учетом изначального показателя в приборе.
- Выявление заряда в близ находящихся предметах. Если устройство реагирует на приближение объекта, то это происходит из-за того, что тело заряжено.
- Оборудование используется для определения количества ионов, которые находятся в воздухе. Это происходит за счет оценки быстроты зарядки и разрядки электрометра в изучаемом электрическом поле.
- Оборудование применяется для определения излучения внешней среды при наличии радиоактивных веществ из-за этого же принципа электроиндукции.
Сейчас электрометры широко применяют в лабораториях в школах и институтах, чтобы показать ученикам разные уровни использования этого прибора в качестве устройства, которое контролирует электрический заряд.
Как сделать самодельный электроскоп
Это очень легко сделать самодельный электроскоп. Необходимые элементы легко приобрести, а сборка электроскопа происходит довольно быстро.
Ниже перечислены принадлежности и материалы, необходимые для создания самодельного электроскопа за 7 простых шагов:
- Стеклянная бутылка Это должно быть чисто и очень сухо.
- Пробка для герметичного закрытия бутылки.
- Медный провод 14 калибра.
- Плоскогубцы.
- Ножницы.
- Алюминиевая фольга.
- Правило.
- Воздушный шар.
- Шерстяное полотно.
Шаг 1
Отрежьте медный провод, пока не получите отрезок, длина которого превышает приблизительно 20 сантиметров..
Шаг 2
Согните один конец медного провода, создавая вид спирали. Эта часть будет выполнять функции сферы восприятия электростатического заряда.
Этот шаг очень важен, так как спираль будет способствовать передаче электронов от исследуемого тела к электроскопу из-за существования большей площади поверхности.
Шаг 3
Он пересекает пробку медной нитью. Убедитесь, что загнутая часть направлена к верхней части электроскопа..
Шаг 4
Сделайте небольшой изгиб на нижнем конце медного провода в форме буквы L.
Шаг 5
Разрежьте две алюминиевые фольги на треугольники длиной примерно 3 сантиметра. Важно, чтобы оба треугольника были идентичными.
Убедитесь, что ламели достаточно маленькие, чтобы не соприкасаться с внутренними стенками бутылки.
Шаг 6
Сделайте небольшое отверстие в верхнем углу каждой фольги и вставьте оба куска алюминия в нижний конец медной проволоки.
Старайтесь, чтобы листы фольги были как можно более гладкими. Если алюминиевые треугольники ломаются или мнутся слишком сильно, лучше повторять образцы, пока не будет получен желаемый эффект.
Шаг 7
Поместите пробку на верхний край бутылки, очень осторожно, чтобы алюминиевая фольга не испортилась или сделанная сборка не потерялась.
Чрезвычайно важно, чтобы обе ламели соприкасались при герметизации емкости. Если это не так, то вам придется изменить изгиб медной проволоки, пока листы не коснутся друг друга.
Особенности проверки работоспособности
Чтобы проверить работоспособность, можно использовать теоретические понятия, которые уже были описаны. Для этого необходимо выполнить следующее:
- Удостовериться, что электрометр разряжен: для этого нужно коснуться его железным стержнем, чтобы устранить находящийся в приборе заряд.
- Далее необходимо зарядить устройство, для этого нужно потереть воздушный шар о кусок шерстяной материи.
- Поднесите шарик к медной спирали, так начнет происходить индукционная зарядка.
- Смотрите за реакцией треугольников из фольги, они начнут отходить друг от друга, поскольку обе ламели имеют одинаковый заряд.
Не забывайте, что немаловажное значение для проводимости определенных предметов является состояние внешней среды. К примеру, если воздушная влажность увеличивается, то в этом случае некоторые объекты играют роль проводников.
Наглядно продемонстрировать это может молния. Поскольку она, как правило, наблюдается только в то время, когда льет дождь, то есть при повышенной влажности, соответственно, воздух может пропускать электрический заряд, хоть при солнечной погоде этого не происходит. Воздух является проводником только в том случае, если меняется влажность. Если это влияет на измерение, можно попробовать протестировать прибор в сухие дни.
Чтобы доказать это, вы можете применить теоретические концепции, ранее описанные в статье, как подробно описано ниже:
- Убедитесь, что электроскоп не заряжен: для этого прикоснитесь к нему металлическим стержнем, чтобы стереть оставшийся заряд с устройства.
- Зарядите объект электрическим током: потрите шар о шерстяную ткань, чтобы зарядить поверхность шара электростатическим зарядом.
- Поднесите заряженный объект ближе к медной спирали: при этой практике электроскоп будет заряжаться за счет индукции, и электроны от глобуса будут передаваться электроскопу.
- Наблюдайте за реакцией металлических пластин: треугольники из алюминиевой фольги будут удаляться друг от друга, поскольку обе пластины имеют заряд одного знака (в данном случае отрицательный).
Попробуйте проводить этот тип теста в засушливые дни, поскольку влажность имеет тенденцию влиять на этот тип домашних экспериментов, поскольку затрудняет переход электронов с одной поверхности на другую.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали как устроен физический прибор, называемый электроскопом. С помощью него можно обнаруживать и измерять электрические заряды, а также демонстрировать их взаимодействие друг с другом. Этот прибор сыграл важную роль на ранних стадиях изучения электрических явлений. С помощью него ученые смогли изучить многие свойства электрических зарядов.
Электрометр
Еще один прибор, с помощью которого можно оценить заряд, называется электрометром.
Его устройство отличается от электроскопа тем, что вместо полосок бумаги содержит легкую металлическую стрелку. Она хорошо сбалансирована и может вращаться, отклоняясь от стержня на различные углы. Ось вращения стрелки проходит через ее центр, а максимальный угол отклонения составляет около 90 градусов.
Когда мы сообщаем электрометру заряд, стрелка от стержня заряжается, отталкивается от него и отклоняется на некоторый угол.
Электрометр обладает несколько большей чувствительностью по сравнению с электроскопом. Во всех конструкциях электрометров обязательно присутствует шкала.
Механические электрометры
Первый электроскоп изобрёл итальянский физик А.Вольта: прибор состоял из металлического стержня, пропущенного через каучуковую пробку, которая закрывала стеклянную бутылку. Верхний конец металлического стержня оканчивался металлическим шариком, а к низшему концу, находящемуся внутри бутылки, привешивались 2 соломинки. При соединении прибора с наэлектризованным телом, соломинки, как тела, наэлектризованные одноименно, отталкивались, и таким образом, можно было судить, заряжено данное тело или нет. Дальнейшее усовершенствование приборов этого рода состояло в том, что вместо соломинок стали привешивать листки из тонкой бумаги или же тонкие золотые листочки, вследствие чего появилась возможность обнаруживать слабые заряды на телах.
В начале 20 века наиболее употребляемыми и удобными из приборов этого рода были электроскопы Б. Ю. Кольбе.
Электрометры Вольты.
Механические электрометры в настоящее время применяются почти исключительно в учебных целях. В науке и технике они широко применялись ещё в первой трети 20 века (в частности, в исследованиях радиоактивности и космических лучей с помощью электрометров измерялась скорость потери заряда, вызванная ионизацией воздуха ионизирующими излучениями).
Современные электрометры
Современные электрометры являются электронными вольтметрами с очень высоким входным сопротивлением, достигающим 1014 ом.
