Электроскоп
Электроскоп использовавшихся — один из первых научных инструментов, для обнаружения наличия электрического заряда на теле. Он обнаруживает заряд по движению тестируемого объекта под действием кулоновской электростатической силы, действующей на него. Величина заряда объекта пропорциональна его напряжению . Накопление достаточного заряда для обнаружения с помощью электроскопа требует сотен или тысяч 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, позволяющий количественно измерять электрический заряд, называется электрометром .
Электроскоп был первым электроизмерительным прибором . Первым электроскопом была поворотная игла (называемая версориумом ) , изобретенная британским врачом Уильямом Гилбертом около 1600 года. [1] [2] Электроскоп с пробковым шариком и электроскоп с сусальным золотом - два классических типа электроскопов. [2] которые до сих пор используются в обучении физике для демонстрации принципов электростатики . также используется разновидность электроскопа В дозиметре излучения из кварцевого волокна . Электроскопы были использованы австрийским учёным Виктором Гессом при открытии космических лучей .
Электроскоп с пробковым шариком
[ редактировать ]
В 1731 году Стивен Грей использовал простую подвесную нить, которая притягивалась к любому находящемуся поблизости заряженному объекту. Гилберта Это было первое улучшение версориума 1600 года. [3]
Электроскоп с пробковым шариком, изобретенный британским школьным учителем и физиком Джоном Кантоном в 1754 году, состоит из одного или двух маленьких шариков легкого непроводящего вещества, первоначально губчатого растительного материала, называемого сердцевиной . [4] подвешивается на шелковой или льняной нити к крючку утепленной подставки. [5] Тиберий Кавалло в 1770 году изготовил электроскоп с пробковыми шариками на концах серебряных проводов. [3] В современных электроскопах обычно используются шарики из пластика. Чтобы проверить наличие заряда на объекте, объект подносят к незаряженному пробковому шару. Если объект заряжен, шарик притянется к нему и переместится к нему.
Притяжение происходит из-за наведенной поляризации [6] атомов внутри пробкового шара. [7] [8] [9] [10] Вся материя состоит из электрически заряженных частиц, расположенных близко друг к другу; Каждый атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающего его облака отрицательно заряженных электронов . Сердцевина не является проводником , поэтому электроны в шаре связаны с атомами сердцевины и не могут свободно покидать атомы и перемещаться внутри шара, но могут немного перемещаться внутри атомов. См. диаграмму. Если, например, положительно заряженный объект (B) поднести к сердцевинному шару (A) , отрицательные электроны (синие знаки минус) в каждом атоме (желтые овалы) будут притягиваться и слегка перемещаться в сторону ближайшей стороны атома. объект. Положительно заряженные ядра (красные знаки плюс) оттолкнутся и немного отойдут в сторону. Поскольку отрицательные заряды в пробковом шаре теперь находятся ближе к объекту, чем положительные заряды (C) , их притяжение больше, чем отталкивание положительных зарядов, что приводит к возникновению чистой силы притяжения. [7] Такое разделение зарядов является микроскопическим, но поскольку атомов очень много, крошечные силы в сумме образуют достаточно большую силу, чтобы сдвинуть легкий пробковый шарик.
Пробковый шар можно зарядить, прикоснувшись им к заряженному объекту, поэтому часть зарядов на поверхности заряженного объекта переместится на поверхность шара. Тогда шар можно использовать для различения полярности заряда других объектов, поскольку он будет отталкиваться объектами, заряженными той же полярности или знака, что и он, но притягиваться к зарядам противоположной полярности.
Часто в электроскопе имеется пара подвешенных пробковых шариков. Это позволяет сразу определить, заряжены ли пробковые шарики. Если один из пробковых шаров коснется заряженного объекта, зарядив его, второй притянется и коснется его, передав часть заряда поверхности второго шара. Теперь оба шара имеют одинаковый полярный заряд, поэтому они отталкиваются друг от друга. Они висят в форме перевернутой буквы «V» с раздвинутыми шариками. Расстояние между шариками даст приблизительное представление о величине заряда.
Электроскоп с сусальным золотом
[ редактировать ]
Электроскоп с сусальным золотом был разработан в 1787 году британским священнослужителем и физиком Абрахамом Беннетом . [4] как более чувствительный инструмент, чем электроскопы с пробковым шариком или соломенным лезвием, использовавшиеся тогда. [11] Он состоит из вертикального металлического стержня, обычно латунного , с конца которого свисают две параллельные полоски тонкого гибкого сусального золота . К верхней части стержня крепится дисковая или шаровая клемма, куда прикладывается испытуемый заряд. [11] Чтобы защитить сусальное золото от сквозняков, его помещают в стеклянную бутылку, обычно открытую снизу и установленную на проводящем основании. имеются заземленные Часто в бутылке металлические пластины или полоски фольги, обрамляющие золотые листья 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 заряд, просачивающийся через воздух, который скапливается на стеклянных стенках, повышая чувствительность прибора. В прецизионных приборах внутреннюю часть бутылки иногда вакуумировали, чтобы предотвратить утечку заряда на терминале в результате ионизации воздуха.
Когда к металлической клемме прикасаются заряженным предметом, золотые листы раздвигаются в виде перевернутой буквы «V». Это связано с тем, что часть заряда от объекта передается через клемму и металлический стержень к листьям. [11] Поскольку листья получают заряд одного знака, они отталкиваются друг от друга и, таким образом, расходятся. Если клемму заземлить , прикоснувшись к ней пальцем , заряд передается через тело человека в землю, и золотые листья сближаются.
Листья электроскопа также можно заряжать, не прикасаясь заряженным предметом к клемме, с помощью электростатической индукции . Когда заряженный объект подносится к клемме электроскопа, листья раздвигаются, поскольку электрическое поле объекта индуцирует заряд в проводящем стержне и листьях электроскопа, а заряженные листья отталкивают друг друга. Заряд противоположного знака притягивается к ближайшему объекту и собирается на терминальном диске, в то время как заряд того же знака отталкивается от объекта и собирается на листьях (но только в той степени, в которой они покинули терминал), поэтому листья отталкиваются друг от друга. другой. Если электроскоп заземлен, когда заряженный объект находится поблизости, при кратковременном прикосновении к нему пальцем отталкивающиеся заряды того же знака проходят через контакт и заземляются, оставляя электроскоп с чистым зарядом, имеющим противоположный знак, что и объект. Листья первоначально свисают свободно, потому что чистый заряд сосредоточен на концевых концах. Когда заряженный объект убирают, заряд на терминале распространяется на листья, заставляя их снова раздвигаться.
- Электроскопы с сусальным золотом
Конденсационный электроскоп, физический факультет Римского университета.
Электроскоп примерно 1910 года с заземляющими электродами внутри банки, как описано выше.
Самодельный электроскоп, 1900 год.
См. также
[ редактировать ]Сноски
[ редактировать ]- ^ Гилберт, Уильям; Эдвард Райт (1893). О магните и магнитных телах . Джон Уайли и сыновья. п. 79 . перевод П. Флери Моттеле Уильяма Гилберта (1600) Die Magnete , Лондон
- ^ Jump up to: а б Флеминг, Джон Амброуз (1911). . В Чисхолме, Хью (ред.). Британская энциклопедия . Том. 9 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. п. 239.
- ^ Jump up to: а б Бэйгри, Брайан (2007). Электричество и магнетизм: историческая перспектива . Вестпорт, Коннектикут: Greenwood Press. п. 33.
- ^ Jump up to: а б Дерри, Томас К.; Уильямс, Тревор (1993) [1961]. Краткая история технологий: с древнейших времен до 1900 года нашей эры . Дувр. п. 609. ИСБН 0-486-27472-1 . п. 609
- ^ Эллиотт, П. (1999). «Авраам Беннет FRS (1749–1799): провинциальный электрик в Англии восемнадцатого века» (PDF) . Заметки и отчеты Лондонского королевского общества . 53 (1): 61. doi : 10.1098/rsnr.1999.0063 . JSTOR 531928 . S2CID 144062032 . Архивировано из оригинала (PDF) 27 марта 2020 г. Проверено 2 сентября 2007 г.
- ^ Шервуд, Брюс А.; Рут В. Чабай (2011). Материя и взаимодействия (3-е изд.). США: Джон Уайли и сыновья. стр. 594–596. ISBN 978-0-470-50347-8 .
- ^ Jump up to: а б Каплан MCAT Физика 2010–2011 . США: Каплан Паблишинг. 2009. с. 329. ИСБН 978-1-4277-9875-6 . Архивировано из оригинала 31 января 2014 г.
- ^ Пол Э. Типпенс, Электрический заряд и электрическая сила , презентация Powerpoint, стр. 27–28, 2009 г., S. Polytechnic State Univ. Архивировано 19 апреля 2012 г. в Wayback Machine на сайте DocStoc.com.
- ^ Хендерсон, Том (2011). «Заряд и взаимодействие зарядов» . Статическое электричество, Урок 1 . Кабинет физики . Проверено 1 января 2012 г.
- ^ Винн, Уилл Винн (2010). Введение в понятную физику Vol. 3: Электричество, магнетизм и свет . США: Дом авторов. п. 20.4. ISBN 978-1-4520-1590-3 .
- ^ Jump up to: а б с *[Анон.] (2001) «Электроскоп», Британская энциклопедия.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «Шариковый электроскоп» . Демонстрационный ресурс по физике . Университет Святой Марии . Проверено 28 мая 2015 г.
- «Компьютерное моделирование электроскопов» . Молекулярный верстак . Консорциум Конкорд. Архивировано из оригинала 3 июля 2022 г. Проверено 3 февраля 2008 г.
- «Видео о пробковом шаре и заряженном стержне» . Канал физики Святой Марии на YouTube . Физика Святой Марии онлайн. Архивировано из оригинала 22 декабря 2021 г.