Электроскоп - Electroscope

Версориум Гилберта

Электроскопа является ранним научным инструментом для обнаружения присутствия электрического заряда на теле. Он обнаруживает заряд по движению тестового объекта из-за воздействия на него кулоновской электростатической силы . Количество заряда на объекте пропорционально его напряжению . Для накопления заряда, достаточного для обнаружения с помощью электроскопа, требуются сотни или тысячи вольт, поэтому электроскопы используются с источниками высокого напряжения, такими как статическое электричество и электростатические машины . Электроскоп может дать лишь приблизительное представление о количестве заряда; прибор, который количественно измеряет электрический заряд, называется электрометром .

Электроскоп был первым электрическим измерительным прибором . Первым электроскопом была вращающаяся игла (называемая версориумом ), изобретенная британским врачом Уильямом Гилбертом около 1600 года. Электроскоп с шариковой пробкой и электроскоп с золотым листом - это два классических типа электроскопов, которые до сих пор используются в физическом образовании для демонстрации принципов работы. из электростатики . В дозиметре излучения из кварцевого волокна также используется разновидность электроскопа . Электроскопы использовались австрийским ученым Виктором Гессом при открытии космических лучей .

Пробковый электроскоп

Электроскоп пробкового шара 1870-х годов, показывающий притяжение к заряженному объекту
Как это работает

В 1731 году Стивен Грей использовал простую висящую нить, которая притягивалась к любому находящемуся поблизости заряженному объекту. Это было первое улучшение версориума Гилберта с 1600 года.

Электроскоп с пробковым шаром, изобретенный британским школьным учителем и физиком Джоном Кантоном в 1754 году, состоит из одного или двух маленьких шариков из легкого непроводящего вещества, первоначально губчатого растительного материала, называемого сердцевиной , подвешенного на шелковой или льняной нити на крючке изолированного изоляционного материала. стоять. Тиберий Кавалло создал электроскоп в 1770 году с пробковыми шариками на концах серебряных проволок. В современных электроскопах обычно используются шарики из пластика. Чтобы проверить наличие заряда на объекте, его подносят к незаряженному пробковому шару. Если объект заряжен, шар притянется к нему и двинется к нему.

Притяжения происходит из - индуцированной поляризации из атомов внутри пробкового шара. Вся материя состоит из электрически заряженных частиц, расположенных близко друг к другу; каждый атом состоит из положительно заряженного ядра с окружающим его облаком отрицательно заряженных электронов . Сердцевина - непроводник , поэтому электроны в шаре связаны с атомами сердцевины и не могут покидать атомы и перемещаться в шаре, но они могут немного перемещаться внутри атомов. См. Диаграмму справа. Если, например, положительно заряженный объект (B) поднести к сердцевинному шару (A) , отрицательные электроны (синие знаки минус) в каждом атоме (желтые овалы) будут притягиваться и немного переместятся в сторону ближайшего атома. объект. Положительно заряженные ядра (красные знаки плюса) будут отталкиваться и немного отодвинутся. Поскольку отрицательные заряды в стержневом шарике теперь ближе к объекту, чем положительные заряды (C) , их притяжение больше, чем отталкивание положительных зарядов, что приводит к чистой силе притяжения. Это разделение зарядов микроскопическое, но поскольку атомов очень много, крошечные силы складываются в достаточно большую силу, чтобы переместить легкий сердцевинный шар.

Пробковый шар можно зарядить, прикоснувшись им к заряженному объекту, поэтому некоторые из зарядов на поверхности заряженного объекта перемещаются к поверхности шара. Затем мяч можно использовать для определения полярности заряда на других объектах, потому что он будет отталкиваться объектами, заряженными той же полярности или знака, но притянутыми зарядами противоположной полярности.

Часто у электроскопа есть пара подвешенных пробковых шариков. Это позволяет сразу определить, заряжены ли пробковые шары. Если один из пробковых шариков касается заряженного объекта, заряжая его, второй притягивается и касается его, передавая часть заряда поверхности второго шара. Теперь оба шара имеют заряд одинаковой полярности, поэтому они отталкиваются друг от друга. Они свешиваются в форме перевернутой буквы «V» с разложенными в стороны шарами. Расстояние между шарами даст приблизительное представление о величине заряда.

Электроскоп с позолотой

Электроскоп сусальным золотом, показывающий электростатическую индукцию
Использование электроскопа для демонстрации электростатической индукции. Когда заряженный смолистый (-) стержень касается верхней шариковой клеммы, электроны проходят вниз через стержень к игле; так столб отталкивает иглу, поворачивая ее против часовой стрелки. Заряженные стержни, удерживаемые возле терминала, преследуют как знаковые заряды от мяча до столба и иглы; или через демонстратор на землю. Когда заряженный стержень удаляется, заряды распространяются от иглы и попадают на шар; Таким образом, игла и штифт имеют меньший заряд, чем раньше, поэтому игла отклоняется меньше, чем после зарядки контакта.

Золото-лист электроскоп был разработан в 1787 году британского физика священнослужитель и Abraham Bennet , как более чувствительным инструмент , чем пробковый шарик или соломенное лезвие электроскопов тогда в использовании. Он состоит из вертикального металлического стержня, обычно из латуни , на конце которого свисают две параллельные полоски тонкого гибкого сусального золота . К верхней части стержня прикрепляется дисковый или шариковый наконечник, куда прикладывается тестируемый заряд. Чтобы защитить золотые листья от сквозняков, их заключают в стеклянную бутылку, обычно открытую снизу и устанавливаемую на токопроводящую основу. Часто в бутылке есть заземленные металлические пластины или полосы фольги, окаймляющие золотые листы с обеих сторон. Это мера безопасности; Если к тонким золотым листам приложить чрезмерный заряд, они коснутся заземляющих пластин и разрядятся, прежде чем порваться. Они также улавливают утечку заряда через воздух, который накапливается на стеклянных стенках, повышая чувствительность прибора. В точных приборах внутренняя часть бутылки иногда откачивалась, чтобы предотвратить утечку заряда на клемме из-за ионизации воздуха.

Когда к металлическому выводу прикасается заряженный предмет, золотые листья расходятся в виде перевернутой буквы «V». Это связано с тем, что часть заряда от объекта проходит через вывод и металлический стержень к листам. Поскольку листья получают одинаковый знаковый заряд, они отталкиваются друг от друга и, таким образом, расходятся. Если клемму заземлить , прикоснувшись к ней пальцем , заряд передается через человеческое тело в землю, и золотые листы сближаются.

Листы электроскопа также можно заряжать, не касаясь заряженным предметом клеммы, с помощью электростатической индукции . Когда заряженный объект приближается к клемме электроскопа, листы расходятся, потому что электрическое поле от объекта индуцирует заряд в проводящем стержне электроскопа и уходит, а заряженные листы отталкиваются друг от друга. Заряд противоположного знака притягивается к соседнему объекту и накапливается на диске терминала, в то время как заряд одного знака отталкивается от объекта и собирается на листьях (но только до тех пор, пока он не покинул терминал), поэтому листья отталкиваются друг от друга. Другие. Если электроскоп заземлить, когда заряженный объект находится поблизости, при кратковременном прикосновении к нему пальцем отразившиеся заряды одного знака проходят через контакт с землей, оставляя электроскоп с чистым зарядом, имеющим знак, противоположный знаку объекта. Листья сначала свисают свободно, потому что чистый заряд концентрируется на конце концов. Когда заряженный объект удаляется, заряд на терминале распространяется на листья, заставляя их снова разлетаться.

Смотрите также

Сноски

внешние ссылки