Электроскоп - описание и принцип действия устройства

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:

1. Если ламели отдаляются, это обозначает, что тело имеет такой же заряд, как электрометр.
2. 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:

1. Если объект одинаково нагружен, металлические листы, находящиеся в устройстве, разойдутся.
2. 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»).

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:

1. По контакту. За счет прикосновения к принимающей сфере оборудования непосредственно предмета, заряд которого известен.
2. По индукции. Этот способ подразумевает зарядку электрометра без установления непосредственного контакта с прибором, то есть лишь во время приближения к предмету.

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:

1. Отличие типа заряда, который находится в заряженном предмете, с помощью оценки разъединения или соединения металлических листов с учетом изначального показателя в приборе.
2. Выявление заряда в близ находящихся предметах. Если устройство реагирует на приближение объекта, то это происходит из-за того, что тело заряжено.
3. Оборудование используется для определения количества ионов, которые находятся в воздухе. Это происходит за счет оценки быстроты зарядки и разрядки электрометра в изучаемом электрическом поле.
4. 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.

Изготовление своими руками

Изготовить самостоятельно простейший электроскоп довольно просто. Требуемые детали легко купить, а сборка производится очень быстро.

Необходимые материалы:

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

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:

1. Удостовериться, что электрометр разряжен: для этого нужно коснуться его железным стержнем, чтобы устранить находящийся в приборе заряд.
2. Далее необходимо зарядить устройство, для этого нужно потереть воздушный шар о кусок шерстяной материи.
3. Поднесите шарик к медной спирали, так начнет происходить индукционная зарядка.
4. 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.