Для чего применяют электроскопы и электрометры
Электроскоп, электрометр. Устройство, принцип работы электроскопа и электрометра
Электроскоп («электро» – электрический, «скопио» – наблюдаю) — прибор для обнаружения электрических зарядов и приблизительного определения их величины. Заряженный электроскоп, в том числе, позволяет обнаружить, каким зарядом (положительным или отрицательным) наэлектризовано то или иное тело.
В основу работы данного прибора положен тот факт, что одноименно заряженные тела отталкиваются.
Устройство электроскопа
Электроскоп, который мы собираемся рассмотреть, состоит из двух золотых листочков внутри корпуса (см. рисунок 1 ниже). Золотые листочки не имеют контакта с корпусом. Они висят на металлическом стержне в центре корпуса. Изолятор обеспечивает изоляцию металлического стержня (а значит, и двух золотых листочков) от корпуса. В этой конструкции оба золотых листочка подвижны.
По отклонению листочков электроскопа можно определить также, увеличился или уменьшился его заряд. Чем больше угол, на который разойдутся листочки электроскопа при его электризации, тем сильнее он наэлектризован. Значит, тем больший электрический заряд на нём находится.
В конструкции, которая очень похожа на эту (рисунок 1 — справа), подвижным является только металлическая стрелка, которая также связана с областью вне корпуса с помощью металлического стержня. Эта конструкция также называется стрелочным электроскопом. Если конструкция также имеет калиброванную шкалу, то весь прибор называется электрометром.
Другими словами, электрометром можно назвать прибор, основной частью которого является легкая металлическая стрелка (чаще всего алюминиевая), которая может вращаться вокруг вертикальной оси. По углу отклонения стрелки электрометра можно судить о величине заряда, переданного стержню электрометра. Проградуированным прибором можно определять значения электрического заряда.
Еще одна конструкция электроскопа описана в школьном учебнике по физике за 8 класc [1]:
Электроскоп представляет собой стеклянный баллон, внутри которого сквозь пробку вставлен металлический стержень. К концу стержня прикреплены легкие бумажные листочки. Снаружи к стержню прикреплен металлический шарик. При передаче шарику электроскопа, например, отрицательного заряда мы заряжаем этим зарядом листочки электроскопа. Одноименно заряженные листочки расходятся на некоторый угол, тем больший, чем больше переданный электроскопу заряд.
Как работает электроскоп?
Теперь вы знаете конструкцию электроскопа. Но как именно работает электроскоп? Для этого нам понадобятся знания о электростатической индукции и отталкивании одноименных электрических зарядов. Рассмотрим эти явления ниже.
Электростатическая индукция (электризация через влияние).
Чтобы объяснить суть электростатической индукции, представьте, что перед вами два металлических стержня (см. рисунок 2). Один из двух стержней не заряжен, а другой несет 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 заряда в незаряженном стержне. Поскольку два металлических стержня не соприкасаются, никакие носители отрицательного заряда не могут «перескочить» 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 передачи заряда через контакт (справа)
Закон Кулона.
На данный момент не хватает только ответа на вопрос, почему одноименные заряды отталкиваются друг от друга и как эти два явления (электростатическая индукция и отталкивание одноименных зарядов) объясняют принцип работы электроскопа.
Тот факт, что одноименные заряды отталкивают друг друга, был экспериментальным наблюдением. Шарль Огюстен де Кулон смог вывести математическую зависимость для силы, действующей между двумя зарядами на определенном расстоянии, путем эксперимента с вращающимися весами. Эта математическая зависимость называется законом Кулона (сила называется — силой Кулона). Как формулируется этот закон, — для данной статьи не важно. Важно лишь то, что одноименные заряды отталкиваются друг от друга.
Рис. 3. Иллюстрация электростатического притяжения и отталкивания зарядов
Как это все работает в электроскопе?
Мы выше описали необходимые нам явления. Теперь давайте посмотрим, как они объясняют принцип работы электроскопа.
Два золотых листочка соединены с «внешним миром (областью вне корпуса)» с помощью металлического стержня. В начале они не заряжены 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 листочка имеют заряд одного и того же знака.
В результате два листочка отталкиваются друг от друга, и вы, тем самым, успешно демонстрируете электрический заряд. Обратите внимание, что вы знаете только то, что объект электрически заряжен. Однако вы не можете утверждать, является ли он положительно или отрицательно заряженным.
Рис. 4. Как работает электроскоп
Возможно, вам интересно, как можно определить, является ли объект (тело) положительно или отрицательно заряженным. Для этого вы заряжаете электроскоп отрицательно (рисунок 5), например, через контакт, что приводит к некоторому отталкиванию золотых листочков друг от друга. Если теперь вы поднесете предмет близко к металлическому стержню, и золотые листочки будут отталкиваться друг от друга сильнее, то вы узнаете, что предмет заряжен отрицательно. С другой стороны, если отталкивание меньше, то объект заряжен положительно.
Рис. 5. Электроскоп для определения является ли объект положительно или отрицательно заряженным
Действие электрометра основано на отталкивании одноимённо заряженных тел. Если сообщить стержню электрический заряд любого знака — например, коснувшись сферы заряженной палочкой, то часть заряда через металлическую ось перейдёт со стержня на стрелку, вследствие чего стрелка начнёт отталкиваться от стержня и отклонится на некоторый угол.
Типы электроскопов.
Помимо электроскопа с золотыми листочками, существует множество различных конструкций. К ним относятся стрелочный электроскоп, двойной стрелочный электроскоп, электроскоп с фольгой, капиллярный электрометр. Хотя все конструкции звучат по-разному, основные принципы их работы схожи с теми, которые мы объяснили вам в этой статье.
Что измеряет электрометр и каким он бывает?
Электрометр – что это такое? Существует множество различных типов, начиная от раритетных механических инструментов ручной работы и заканчивая высокоточными устройствами. Современные электрометры и другие измерительные устройства собраны на основе вакуумной трубки или твердотельной технологии. Они могут использоваться для измерения напряжения и заряда с очень малыми токами утечки, вплоть до 1 фемтоампера. Электроскоп является более простым устройством. Он работает по схожим принципам, но показывает только относительные величины напряжений. А что измеряет электрометр и другие приборы?
История этого устройства
Вам будет интересно: Что нам известно о французском прононсе
Самым первым измерителем потенциала можно назвать «Ранний квадратный» или просто «Квадратный». Хотя этот термин в конечном итоге относился к версии Кельвина, он впервые был использован для описания более простого устройства. А что измеряет электрометр и из чего состоит?
Он изготовлен из вертикального ствола дерева, к которому прикреплен полукруг из слоновой кости. Из центра на шарнире висит легкий пробковый шар. Когда инструмент помещается на заряженное тело, стебель участвует и отталкивает пробковый шар. Величина отталкивания может быть считана с градуированного полукруга, хотя измеренный угол не прямо пропорционален заряду. Среди первых изобретателей были Уильям Хенли и Гораций-Бенедикт де Соссюр.
А кто же был «первопроходцем» у электроскопов?
А электроскоп и электрометр – это что такое и кто из них был лучше? Самый первый электроскоп с золотым листом был однозначно самым первым. Такое устройство можно встретить в реальном мире на некоторых научных конференциях, но в основном он был повсеместно заменен на более технологичную версию. В отличие от электрометра, он чаще исполнял роль датчика, чем измерительного прибора.
Сам инструмент состоит из двух тонких листов золотой фольги, подвешенных к электроду. Когда он заряжается индукцией или контактом, листья приобретают одинаковые электрические заряды и отталкивают друг друга благодаря кулоновской силе. Их разделение является прямым показателем накопленной чистой энергии. На стекло напротив листьев можно наклеить кусочки оловянной фольги, чтобы, когда листья полностью расходятся, они могли попасть в землю. Лепестки могут быть заключены в стеклянный «конверт», что защитить их от сквозняков. Для минимизации утечку заряда данный конверт изолируют. Еще одной причиной утечки является ионизирующее излучение, поэтому для предотвращения ее электрометр должен быть окружен свинцовым экраном.
Инструмент был разработан в XVIII веке несколькими исследователями, среди которых Авраам Беннет и Алессандро Вольта.
Модели от Пельтье и Боненбергера
Измерительное устройство Боненберга состоит из одного золотого листа, подвешенного вертикально между анодом и катодом сухого ворса. Любой заряд, передаваемый сусальному золоту, заставляет его двигаться к одному или другому полюсу. Что измеряет электрометр Боненберга? Знак заряжаемой частицы, а также ее приблизительную величину.
Электрометр Пельтье использует форму магнитного компаса для измерения отклонения, уравновешивая статическую силу с помощью магнитной иглы.
Современные устройства
Современный электрометр – это высокочувствительный вольтметр, входной импеданс которого настолько велик, что ток, протекающий в него, можно считать равным нулю для большинства бытовых задач.
Что измеряет электрометр, и какое у него сопротивление? Фактическое значение входного сопротивления для современных устройств составляет около 1014 Ом, по сравнению с 1010 Ом для нановольтметров. Из-за чрезвычайно высокого входного сопротивления, необходимо применять особые конструктивные решения, чтобы избежать утечки тока.
Среди других применений, электрометры используются в экспериментах по ядерной физике, поскольку они способны измерять крошечные заряды, оставленные в веществе при прохождении ионизирующего излучения. Наиболее распространенным применением современных устройств, является измерение излучения с помощью ионизационных камер в таких приборах, как счетчики Гейгера.
Клапанный электрометр
Клапанные версии используют специализированную вакуумную трубку с очень высоким коэффициентом усиления и входным сопротивлением. Входной ток может течь в импедансную сетку, и генерируемое таким образом напряжение значительно усиливается в анодной (пластинчатой) цепи. Клапаны, предназначенные для использования с электрометрами, имеют токи утечки всего несколько фемтоампер (10-15 ампер). К таким клапанам следует прикасаться руками в перчатках, так как соли, оставшиеся на стеклянной оболочке, могут создать пути утечки для этих крошечных токов.
В специализированной схеме, называемой «инвертированным триодом», роли анода и сетки меняются местами. Это размещает управляющий элемент на максимальном расстоянии от области пространственного заряда, окружающей нить накала, минимизируя количество электронов, собранных управляющей цепью, и, таким образом, снижая до наименьшего значения входной ток.
Самые современные электрометры
Самые современные измерительные приборы состоят из твердотельного усилителя, использующего один или несколько полевых транзисторов, соединений для подключения внешних измерительных устройств и, как правило, подсоединения. Для твердотельного электрометра фото приведено выше.
Усилитель увеличивает небольшой ток для упрощения процедуры его измерения. Внешние соединения обычно имеют коаксиальную или трехосную конструкцию и позволяют устанавливать диоды или ионизационные камеры для измерения ионизирующего излучения. Подключения к дисплею или аппаратуре для регистрации данных позволяют пользователю просматривать данные или записывать их для последующего анализа.
Электрометры, предназначенные для использования с ионизационными камерами, могут включать в себя высоковольтный источник питания, который также применяются для смещения ионизационной камеры.
Электрометр и электроскоп — приборы для измерения заряда
Для измерения заряда используют электроскоп и электрометр. Эти приборы позволяют определить знак заряда, а, так же, оценить величину заряда.
Электроскоп
Электроскоп позволяет обнаружить электрический заряд и оценить его величину приблизительно.
Устроен прибор так. Металлический стержень вертикально входит в металлический корпус (рис. 1).
К стержню с одной стороны присоединена чаша, изготовленная из металла. Чаша находится в верхней части стержня, за пределами корпуса электроскопа.
А к другому концу стержня, находящемся внутри корпуса, присоединены две тонкие полоски бумаги.
Между стержнем и корпусом находится пробка из пластмассы. Она не дает заряду со стержня стекать на корпус.
В корпусе с двух сторон присутствуют стеклянные окошки, чтобы можно было наблюдать за поведением бумажных полосок.
Так же, в корпус встроена шкала с делениями. Она помогает оценивать углы, на которые бумажные полоски расходятся.
Некоторые электроскопы имеют боле простую конструкцию (рис. 2). В них стержень с листочками помещается в стеклянную колбу. Шкала в таких простейших приборах не предусмотрена.
Как пользоваться электроскопом
Рассмотрим незаряженный электроскоп. Поднесем к его чаше натертый шерстью кусочек эбонита. Листочки при этом разойдутся в стороны (рис. 3). Первоначальное положение листочков обозначено на рисунке пунктирными линиями.
Чем больше заряд поднесенного наэлектризованного тела, тем на большие углы расходятся полоски бумаги.
Зарядим теперь электроскоп положительным зарядом. Для этого прикоснемся к его чаше кусочком стекла, натертого о шелк.
Прикоснувшись к чаше электроскопа, можно передать ему заряд. Чем больше заряд, тем сильнее отклоняются листочки.
Поднесем теперь к чаше положительно заряженного прибора тело, имеющее такой же — положительный знак заряда. Прикасаться телом к чаше не будем.
Мы увидим, что листочки разойдутся в стороны еще больше (рис. 4).
Если же к чаше заряженного прибора поднести заряд противоположного знака, угол между его листочками уменьшится (рис. 5).
Зная знак заряда электроскопа, можно определить знак заряда тела.
По углу отклонения бумажных полосок можно судить о том, уменьшился или увеличился заряд электроскопа.
Чем больше угол, тем больше наэлектризован прибор, тем больший заряд находится на нем.
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 (рис. 6). 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.
Электрометр и электроскоп
Описание презентации по отдельным слайдам:
Описание слайда:
Электрометр и электроскоп
Составила: Фомичёва Оксана
Описание слайда:
Описание слайда:
Электроскоп (от греч. слов электрон и скопео – наблюдать, обнаруживать) – прибор, позволяющий определить, наэлектризовано ли тело. Заряженный электроскоп позволяет обнаружить, каким зарядом наэлектризовано то или иное тело.
Описание слайда:
Описание слайда:
Электрометр применяется для обнаружения и измерения электрических зарядов.
Описание слайда:
Описание слайда:
Была использована литература:
О. Ф. Кабардин «Физика. Справочные материалы»
А. В. Пёрышкин. Физика. 8 класс. «Дрофа». 2000 г.
Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
Курс повышения квалификации
Охрана труда
Курс профессиональной переподготовки
Библиотечно-библиографические и информационные знания в педагогическом процессе
Курс профессиональной переподготовки
Охрана труда
Ищем педагогов в команду «Инфоурок»
Найдите материал к любому уроку, указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:
также Вы можете выбрать тип материала:
Общая информация
Похожие материалы
Полимеры
Силикатная промышленность
Обратимость химических реакций
Воздух. Кислород. Горение
Классификация органических соединений
Учимся решать задачи по химии
Окислительно-восстановительные реакции
Атомы химических элементов
Не нашли то что искали?
Воспользуйтесь поиском по нашей базе из
5341096 материалов.
Вам будут интересны эти курсы:
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.
Безлимитный доступ к занятиям с онлайн-репетиторами
Выгоднее, чем оплачивать каждое занятие отдельно
В Псковской области ввели обязательную вакцинацию для студентов
Время чтения: 1 минута
В России утвердили квоты приема на целевое обучение в вузах на 2022 год
Время чтения: 3 минуты
Учителям предлагают 1,5 миллиона рублей за переезд в Златоуст
Время чтения: 1 минута
В России отцы охотнее дают деньги детям на карманные расходы, чем матери
Время чтения: 2 минуты
Путин поручил не считать выплаты за классное руководство в средней зарплате
Время чтения: 1 минута
Бельгийский город будет платить детям виртуальные деньги за отказ от неэкологичного транспорта
Время чтения: 0 минут
Подарочные сертификаты
Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.
Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.
Электроскоп — описание и принцип действия устройства
Электроскоп — это устройство, предназначенное для определения наличия электронного заряда у взаимодействующих с ним наэлектризованных тел. Принцип работы этого устройства основан на правиле электростатики — одинаково заряженные предметы отталкиваются. Прибор можно встретить в кабинете физики в любой школе, или простейший макет легко сделать из подручных средств своими руками.
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:
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:
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»).
Зарядка электроскопа
Наличие электрической зарядки прибора требуется для определения природы импульса исследуемого предмета, куда подносят оборудование. Если заряд электрометра предварительно не узнать, то не получится определить, является ли нагрузка на теле такой же либо она противоположна.
Перед зарядом оборудования оно должно находиться в нейтральном состоянии — быть внутри с одинаковым количеством электронов и протонов. Поэтому, перед тем как заряжать, необходимо установить устройство на пол и подключить электрометр к заземлению, так можно обеспечить нейтральность нагрузки прибора. Разрядку оборудования можно произвести, если прикоснуться к нему металлическим предметом.
Существует несколько способов зарядки прибора перед проведением испытаний:
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:
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.
Изготовление своими руками
Изготовить самостоятельно простейший электроскоп довольно просто. Требуемые детали легко купить, а сборка производится очень быстро.
Необходимые материалы:
Вначале нужно отрезать медную проволоку длиной около 25 см. Один ее конец сгибается в форме спирали. Он будет играть роль сферы приемника электрического заряда. Этот этап важен, поскольку спираль способствует передаче электронов от изучаемого объекта к электрометру из-за своей большой площади. Проделайте в пробке отверстие и проденьте проволоку. Сделайте L-образный изгиб снизу.
Обрежьте две пластины из фольги в виде треугольника длиной приблизительно 4 см. Главное, чтобы эти ламели были одинаковые. Удостоверьтесь, что они достаточного размера, чтобы не касаться внутренней поверхности банки. На проволоку крепят пластины через предварительно проделанные два отверстия в фольге.
Нужно постараться сделать скольжение ламелей максимально плавным. Закройте осторожно пробкой банку, чтобы треугольники не повредились и не испортили сборку.
Обе пластины должны находиться в контакте друг с другом при герметизации емкости. Если соединение отсутствует, то нужно изменить изгиб проволоки, пока ламели не будут соприкасаться между собой.
Особенности проверки работоспособности
Чтобы проверить работоспособность, можно использовать теоретические понятия, которые уже были описаны. Для этого необходимо выполнить следующее:
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.