Через зіткнення двох різнорідних матеріалів в тілах може відбутися перерозподіл носіїв зарядів. В результаті виникне явище, зване наелектризованістю. Для вимірювання і виявлення статичної електрики використовують електроскоп. Пристрій його нескладне, тому можна зібрати прилад і в домашніх умовах самостійно.
Загальні відомості про прилад
У побуті досить часто можна зіткнутися з таким явищем, як наелектризованість. Вона виникає в результаті певних дій з двома різнорідними предметами. Це може бути тертя, придавлювання, намотування, розколювання. В результаті таких дій, з фізичної точки зору, відбувається порушення внутрішньоатомної рівності через перерозподіл негативно заряджених частинок — електронів.
Вивченням розподілу електричних зарядів займається Електростатика. Вважається, що першим виявив здатність речовин взаємодіяти між собою після тертя Фалес Мілетський. Він з’ясував, що якщо потерти шерсть об Бурштин, то останній починає притягувати до себе різні малі тіла, наприклад, шматочки паперу, порошинки. Природу явища на той час грецький філософ пояснити не зміг.
У 1600 році Вільям Гілберт зайнявся вивченням цього явища і ввів поняття «Електрика». А через 63 роки Отто фон Геріке створив пристрій, за допомогою якого виявив, що тіла можуть не тільки притягуватися, але і відштовхуватися. Подальші досліди підтвердили його експеримент.
Так, в 1733 році Дюфе розділив електрику на два типи:
- скляний;
- смоляний.
Сьогодні їх називають відповідно позитивним і негативним. Перший позначають знаком “+”, а другий “-“. При цьому наукою встановлено, що однойменні заряди, що утворюють електрику, при взаємодії відштовхуються один від одного, а різнойменні — притягуються.
Прилад, що дозволяє не тільки спостерігати взаємодію елементарних частинок, але і оцінити їх значення, сконструював французький інженер Шарль Кулон. Його вимірювач, зібраний в 1784 році, був досить чутливим і отримав назву «крутильні ваги». Конструкція пристрою складалася з ізольованого стрижня, підвішеного на пружній нитки в прозорій закритій ємності. По діаметру колби була нанесена шкала, а нитка закріплювалася до сфери. Підносячи до кулі різні наелектризовані предмети, інженер визначав, на яку величину відхиляється стрижень.
Ваги Кулона надалі були вдосконалені. Замість них, сьогодні використовують точні електронні пристрої з логічними мікросхемами. Але перед їх винаходом з’явилися такі прилади, як електроскоп і електромер. Це досить прості пристрої, які використовуються найчастіше в навчальних закладах при поясненні взаємодії зарядів.
Будова і принцип роботи
Слово “електроскоп” походить від грецького “skopeo”, що в перекладі на українську мову означає “Спостерігати”. У фізиці під ним розуміють прилад, за допомогою якого можна виявляти електричні заряди. Він належить до найпростіших пристроїв, тому його точність у визначенні величини є низькою, але разом з тим дозволяє оцінити знак заряду того чи іншого тіла.
Практично в тому вигляді, в якому зараз його можна зустріти в шкільних лабораторіях, він був представлений в 1754 році Джоном Кантоном. У пристрій вимірювача входило не так вже й багато різних частин. Ось основні з них:
- провідна сфера (металева куля);
- трубчастий провідник;
- металевий стрижень;
- корпус круглої форми з виконаними зі скла передньою і задньою панелями;
- шкала;
- два найтонших пелюстки з сусального золота.
Збирався електроскоп наступним чином. Через отвір в корпус вставлявся металевий стрижень, на кінці якого закріплювалися дві пелюстки, що відхиляються вільно в сторони. Зверху на трубчастий провідник одягалася сфера. Корпус приладу закривався прозорими стеклами, на яких встановлювалася шкала. Сам пристрій ставилося на підлогу через діелектричну підставку.
Суть роботи такого пристрою полягає в наступному. Якщо до металевої кулі доторкнутися наелектризованим тілом, наприклад, скляною або ебонітовою паличкою, то пелюстки, отримавши заряд однакового знака, відштовхнуться один від одного. У такому положенні вони зможуть залишатися досить довго. Якщо ж до кулі піднести тіло з іншим за знаком зарядом, то відстань між пелюстками зменшиться. Для того, щоб розрядити пристрій, потрібно просто буде торкнутися його рукою.
За кутом відхилення можна визначити величину заряду, але точність такого вимірювання залишає бажати кращого. Тому для вимірів величин використовують інший пристрій — електрометр. Такий прилад вже дозволяє судити про наявний потенціал у тіла.
Електрометри бувають механічними і електронними. Перші працюють за принципом електроскопа, але замість листочків в них використовується стрілка на зразок тієї, що ставиться в компасах. Електронні ж, по суті, є вольтметрами. Їх підключають в ланцюзі паралельно тим точкам, в яких необхідно виміряти падіння напруги. Це можливо через їх високого внутрішнього опору.
Збірка з підручних матеріалів
Винайти нового типу пристрій, здатний виконувати накопичення зарядів, досить складно. Але ось повторити самостійно конструкцію простого електроскопа, мабуть, буде під силу кожному зацікавленому. Зібрати вимірювач можна з підручних матеріалів, які напевно можна знайти вдома.
Для самостійного конструювання знадобиться:
- залізний дріт (краще з міді);
- фольга;
- ножиці;
- шивши;
- пластилін;
- банку з кришкою.
Отже, за допомогою шила необхідно виконати отвір в кришці діаметр, якого буде збігатися з товщиною дроту. Потім протягнути її через неї провідник. Довжина просунутого дроту повинна бути такою, щоб вона не діставала до дна ємності. Оптимальна відстань до низу банки — п’ять сантиметрів. На кінці дроту необхідно зробити гачок.
Тепер за допомогою ножиць з фольги потрібно вирізати дві тонкі смужки довжиною два сантиметри. Їх призначення буде якраз і полягати в збиранні зарядів. Дві смужки послідовно потрібно нанизати на гачок. Банку закрити кришкою, а отвір біля дроту загерметизувати пластиліном. Пристрій практично готовий. Залишиться з фольги скрутити кулю і надіти його зверху на кінець провідника. Тепер можна переходити до випробування приладу.
Дія такого електрометра, а називатися це самостійно зібране пристрій буде саме так, засноване на природному явищі. Продемонструвати його можна наступним чином. Взяти ебонітову паличку і потерти її про шматочок матерії або, наприклад, гребінець про волосся. Потім доторкнутися до кулі. Заряди з наелектризованого тіла перейдуть на провідник (дріт). До цього моменту стрижень був електрично нейтральним. Але тепер заряди групуються за знаком, а дріт заряджається позитивно або негативно. Такий же знак отримує фольга. Через те, що дві смужки будуть мати однотипний заряд, вони відштовхнуться один від одного.
Варто відзначити цікаву особливість, яку рідко згадують в доповідях, присвячених цьому явищу. Полягає вона в тому, що заряди одного знака розташовуються при електризації на поверхні провідників. Пов’язано це з тим, що вони відштовхуються один від одного, тому і виштовхуються на поверхню.
Електронний пристрій з індикацією
Механічний прилад, який використовують в школах, призначений для виявлення заряду. З його допомогою демонструють принципові закони статики. Але ось якими частинками – позитивними або негативними — наелектризовано тіло, використовуючи його, визначити неможливо. Електронний пристрій дозволяє не тільки дізнатися якісно вид заряду, але і виміряти його величину.
Принципова схема приладу не містить дефіцитних деталей. Збирається вона на текстоліті розмірами 5х8 сантиметрів. Друкована плата виготовляється за допомогою “лазерно-прасувальної технології”. Креслити її зручно в програмі Sprint-Layout. При виведенні малюнка на друк потрібно звернути увагу на дзеркальність.
Прилад складається з двох частин. У верхній распложени світлодіоди, вставлені в прорізи на корпусі. Для знака “плюс «рекомендується використовувати індикацію зеленого кольору, а» мінус” — червоного. Прорізи можна закрити калькою або прозорим оргсклом. У нижній частині розміщується розпаяна плата. Біля неї монтується реле і батарейка типу “крона”, що забезпечує схему харчуванням 9 вольтів.
З радіоелементів знадобиться:
- резистори — 2,7 МОм, 2,7 кОм, 10 МОм, 1 кОм (2 шт.);
- стабілітрони – Д814 (2 шт.);
- польовий транзистор-2N3819 (КП302Б);
- чотири світлодіоди;
- конденсатор-0,01 мкФ;
- реле – РП-5;
- антена – металева трубочка діаметром 0,2-0,3 мм.
Конденсатор C1 включений в плече моста, зібраного на діодах і підключеного до бази V3. Якщо до антени W1 піднести заряджене тіло, то на виходах ємності з’являється напруга. Воно прикладається до транзистора і відкриває його. В результаті настає розбалансування моста, що призводить до спрацьовування реле КР1. Напрямок струму залежить від знака заряду, ось чому електронний ключ буде підключати одну або іншу групу світлодіодів.
Щоб можна було вимірювати величину зарядів, знадобиться додатково підключити вольтметр. В якості його зручно використовувати будь-який мультиметр, який вміє вимірювати значення постійної напруги. Підключати його потрібно паралельно конденсатору. До речі, їм можна контролювати не тільки те, який буде заряд, але і визначати його знак.
