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.

Устройство электроскопа
Рис.1. Конструкция электроскопа

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.

Электростатическая индукция
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.

Иллюстрация электростатического притяжения и отталкивания
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.

Как работает электроскоп
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.

Электроскоп для определения как заряжен объект
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.

Список использованной литературы

  1. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
  2. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.