Електроскоп — опис і принцип роботи пристрою

Електроскоп — це пристрій, призначений для визначення наявності електронного заряду у  наелектризованих тіл, що взаємодіють з ним.

Принцип роботи цього пристрою заснований на правилі електростатики — однаково заряджені предмети відштовхуються. Прилад можна зустріти в кабінеті фізики в будь-якій школі, а найпростіший макет можна з легкістю зробити своїми руками з підручних засобів.

Загальні відомості

Електроскоп потрібен, щоб вимірювати електричні заряди в предметах, що знаходяться поруч, а також його використання дозволяє визначити полярність. Схема фізичного пристрою проста, прилад складається з металевого стрижня, який укладений в скляну колбу.

На кінцях знаходяться дві тонкі алюмінієві або золоті пластини, знизу вони з’єднуються. При цьому конструкція закривається ізоляційною кришкою, а зверху торця знаходиться спеціальна сфера, яка називається «колектор».

Під час наближення електрично зарядженого предмета до електроскопа ламелі, що знаходяться знизу пристрою, мають дві реакції:

• Якщо ламелі віддаляються, то це означає, що тіло має такий же заряд, як електрометр.
• Якщо вони з’єднуються, то це означає, що предмет має протилежний заряд.

Електроскопи дозволяють визначати накопичення електричного заряду, при цьому вони вказують знак полярності і його інтенсивність.

Історія створення електроскопа

Вперше доповідь про винахід електроскопа написав фізик і лікар Вільям Гілберт, який працював у Великобританії за правління Єлизавети Першої. Цей вчений також є “батьком” електромагнетизму внаслідок великого внеску в науку у XVII столітті. В 1601 році він створив перший пристрій для поглиблення дослідів з електрикою.

Перший прилад, який називався версоріум, являв собою конструкцію, де металева голка вільно оберталася на спеціальному п’єдесталі.

Конфігурація цього пристрою сильно нагадувала звичайний компас, проте тут була не намагнічена голка. Її кінці візуально відрізнялися між собою. Крім цього, один кінець мав негативний заряд, а другий — позитивний.

Принцип роботи був заснований на імпульсах, які виникали на кінцях завдяки електромагнітній індукції. Тобто з урахуванням того, яким боком голка розташовувалася максимально близько до предмета, реакція кінця полягала в тому, щоб відштовхуватися або притягуватися до об’єкта.

На початку 1783 року знаменитий фізик з Італії Алессандро Вольта створив конденсаційний електрометр, що володіє підвищеною чутливістю для визначення електрозарядів.

Але найбільших успіхів домігся астроном і математик з Німеччини Йоганн Готтліба. Він винайшов золотий листовий прилад. Малюнок цього пристрою нагадує конструкцію, яка використовується в наш час. Обладнання мало скляний дзвін зі сталевою сферою зверху. При цьому остання з’єднувалася провідником з двома тонкими золотими листами. Пластини з’єднувалися або розходилися з урахуванням наближення електричного зарядженого предмета.

Принцип роботи електроскопа

Електрометр – це прилад, який використовується для виявлення статичної електрики у предметів, що знаходяться поруч. Для цього прилад використовує ефект з’єднання внутрішніх тонких металевих листів через електростатичного тяжіння. Статичне поле з’являється на зовнішній частині об’єкта внаслідок тертя або навантаження, що виникає.

Пристрій призначається для визначення наявності типу заряду за допомогою перенесення електронів з сильно заряджених ділянок на розряджені поверхні. Крім цього, з урахуванням реакції пластин це дозволяє визначити величину електричного імпульсу предмета. Сфера, яка знаходиться зверху приладу, є приймачем заряду предмета вивчення.

При наближенні електростатично зарядженого об’єкта ближче до пристрою воно отримає такий же електрозаряд від предмета. Тобто, якщо підійти до об’єкта, який позитивно заряджений, приладу передасться такий же заряд.

Якщо електрометр вже мав відомий електричний імпульс, можна побачити наступне:

Якщо об’єкт однаково заряджений, металеві листи, що знаходяться в пристрої, розійдуться.

І навпаки, якщо тіло протилежно заряджено, сталеві пластини будуть між собою міцно з’єднані.
Металеві листи в приладі повинні мати легку вагу, щоб їх маса могла збалансувати вплив електричних сил відторгнення. Так, якщо відсувати предмет вивчення від пристрою, в пластинах знижується поляризація і вони стають в природне положення («закриваються»).

Зарядка електроскопа

Наявність електричної зарядки приладу потрібно для визначення природи імпульсу досліджуваного предмета, куди підносять обладнання. Якщо заряд електрометра попередньо не визначити, то не вийде й визначити, чи є навантаження на тілі таким же або воно протилежне.

Перед зарядом обладнання воно повинно знаходитися в нейтральному стані – бути всередині з однаковою кількістю електронів і протонів.

Тому, перед тим як заряджати, необхідно встановити пристрій на підлогу і приєднати електрометр до заземлення, так можна забезпечити нейтральність навантаження приладу. Розрядку обладнання можна зробити, якщо доторкнутися до нього металевим предметом.

Існує кілька способів зарядки приладу перед проведенням випробувань:

• По контакту. Шляхом дотику до приймальної сфери обладнання безпосередньо предмета, заряд якого відомий.
• По індукції. Цей спосіб має на увазі зарядку електрометра без встановлення безпосереднього контакту з приладом, тобто лише під час наближення до предмета.

Сфера використання електроскопа

Електроскопи застосовуються, щоб дізнатися, чи заряджений предмет електрично, і визначити, який у нього заряд: позитивний або негативний. Сьогодні ці прилади використовуються в експериментальній сфері, так можна наочно показати виявлення електричних імпульсів.

Основні функції обладнання наступні:

• Відмінність типу заряду, який знаходиться в зарядженому предметі, за допомогою оцінки роз’єднання або з’єднання металевих листів з урахуванням початкового показника в приладі.
• Виявлення заряду в предметах, що знаходяться поблизу. Якщо пристрій реагує на наближення об’єкта, то це відбувається через те, що тіло заряджене.
• Обладнання використовується для визначення кількості іонів, які знаходяться в повітрі. Це відбувається внаслідок оцінки швидкості зарядки і розрядки електрометра в досліджуваному електричному полі.
• Обладнання застосовується для визначення випромінювання зовнішнього середовища при наявності радіоактивних речовин через принцип електроіндукції.

Зараз електрометри широко застосовують в лабораторіях в школах та інститутах, щоб показати учням різні рівні використання цього приладу як пристрою, який контролює електричний заряд.

Виготовлення електроскопа своїми руками

Виготовити самостійно найпростіший електроскоп досить просто. Необхідні деталі легко купити, а збірка проводиться дуже швидко.

Необхідні матеріали:

• герметична пробка для закриття банки;
• безпосередньо банка (суха і чиста);
• пасатижі;
• мідний дріт перетином 1,5 мм;
• звичайна фольга;
• ножиці;
• шматок вовняного матеріалу;
• повітряна кулька.

Спочатку потрібно відрізати мідний дріт довжиною близько 25 см. Один його кінець згинається в формі спіралі. Він буде грати роль сфери приймача електричного заряду. Цей етап важливий, оскільки спіраль сприяє передачі електронів від досліджуваного об’єкта до електрометра через свою велику площу. Виконайте в пробці отвір і протягніть дріт. Зробіть L-подібний вигин знизу.

Обріжте дві пластини з фольги у вигляді трикутника довжиною приблизно 4 см. Головне, щоб ці ламелі були однакові. Переконайтеся, що вони достатнього розміру, щоб не торкатися внутрішньої поверхні банки. На дріт кріплять пластини через попередньо виконані два отвори в фользі.

Потрібно постаратися зробити ковзання ламелей максимально плавним. Обережно закрийте пробкою банку, щоб трикутники не пошкодилися і не зіпсували збірку.

Обидві пластини повинні знаходитися в контакті одна з одною при герметизації банки. Якщо з’єднання відсутнє, то потрібно змінити вигин дроту, поки ламелі не будуть стикатися між собою.

Особливості перевірки працездатності

Щоб перевірити працездатність, можна використовувати теоретичні поняття, які вже були описані. Для цього необхідно виконати наступне:

• Упевнитися, що електрометр розряджений: для цього потрібно торкнутися його залізним стрижнем, щоб усунути заряд, що знаходиться в приладі.
• Далі необхідно зарядити пристрій, для цього потрібно потерти повітряну кулю об шматок вовняної матерії.
• Піднесіть кульку до мідної спіралі, так почне відбуватися індукційна зарядка.
• Дивіться за реакцією трикутників з фольги, вони почнуть відходити один від одного, оскільки обидві ламелі мають однаковий заряд.

Не забувайте, що важливе значення для провідності певних предметів є стан зовнішнього середовища. Наприклад, якщо повітряна вологість збільшується, то в цьому випадку деякі об’єкти грають роль провідників.

Наочно продемонструвати це може блискавка. Оскільки вона, як правило, спостерігається тільки в той час, коли ллє дощ, тобто при підвищеній вологості, відповідно, повітря може пропускати електричний заряд, хоч при сонячній погоді цього не відбувається. Повітря є провідником тільки в тому випадку, якщо змінюється вологість. Якщо це впливає на вимірювання, можна спробувати протестувати прилад в сухі дні.