Из-за соприкосновения двух разнородных материалов в телах может произойти перераспределение носителей зарядов. В результате возникнет явление, называемое наэлектризованностью. Для измерения и обнаружения статического электричества используют электроскоп. Устройство его несложное, поэтому можно собрать прибор и в домашних условиях самостоятельно.
Общие сведения о приборе
В быту довольно часто можно столкнуться с таким явлением, как наэлектризованность. Она возникает в результате определённых действий с двумя разнородными предметами. Это может быть трение, придавливание, наматывание, раскалывание. В результате таких действий, с физической точки зрения, происходит нарушение внутриатомного равенства из-за перераспределения отрицательно заряженных частиц — электронов.
Изучением распределения электрических зарядов занимается электростатика. Считается, что первым обнаружил способность веществ взаимодействовать между собой после трения Фалес Милетский. Он выяснил, что если потереть шерсть о янтарь, то последний начинает притягивать к себе различные малые тела, например, кусочки бумаги, пылинки. Природу явления на то время греческий философ объяснить не смог.
В 1600 году Уильям Гилберт занялся изучением этого явления и ввёл понятие «электричество». А через 63 года Отто фон Герике создал устройство, с помощью которого обнаружил, что тела могут не только притягиваться, но и отталкиваться. Дальнейшие опыты подтвердили его эксперимент. Так, в 1733 году Дюфе разделил электричество на два типа:
- стеклянное;
- смоляное.
Сегодня их называют соответственно положительным и отрицательным. Первое обозначают знаком «+», а второе «-». При этом наукой установлено, что одноимённые заряды, образовывающие электричество, при взаимодействии отталкиваются друг от друга, а разноимённые — притягиваются.
Прибор, позволяющий не только наблюдать взаимодействие элементарных частиц, но и оценить их значение, сконструировал французский инженер Шарль Кулон. Его измеритель, собранный в 1784 году, был довольно чувствительным и получил название «крутильные весы». Конструкция устройства состояла из изолируемого стержня, подвешенного на упругой нити в прозрачной закрытой ёмкости. По диаметру колбы была нанесена шкала, а нить закреплялась к сфере. Поднося к шару различные наэлектризованные предметы, инженер определял, на какую величину отклоняется стержень.
Весы Кулона в дальнейшем были усовершенствованы. Вместо них, сегодня используют точные электронные устройства с логическими микросхемами. Но перед их изобретением появились такие приборы, как электроскоп и электромер. Это довольно простые устройства, используемые чаще всего в учебных заведениях при объяснении взаимодействия зарядов.
Устройство и принцип работы
Слово «электроскоп» происходит от греческого «skopeo», что в переводе на русский язык обозначает «наблюдать». В физике под ним понимают прибор, с помощью которого можно обнаруживать электрические заряды. Он относится к простейшим устройствам, поэтому его точность в определении величины является низкой, но вместе с тем позволяет оценить знак заряда того или иного тела.
Практически в том виде, в каком сейчас его можно встретить в школьных лабораториях, он был представлен в 1754 году Джоном Кантоном. В устройство измерителя входило не так уж и много различных частей. Вот основные из них:
- проводящая сфера (металлический шар);
- трубчатый проводник;
- металлический стержень;
- корпус круглой формы с выполненными из стекла передней и задней панелями;
- шкала;
- два тончайших лепестка из сусального золота.
Собирался электроскоп следующим образом. Через отверстие в корпус вставлялся металлический стержень, на конце которого закреплялись два лепестка, отклоняющиеся свободно в стороны. Сверху на трубчатый проводник одевалась сфера. Корпус прибора закрывался прозрачными стёклами, на которых устанавливалась шкала. Само устройство ставилось на пол через диэлектрическую подставку.
Суть работы такого устройства заключается в следующем. Если к металлическому шару прикоснуться наэлектризованным телом, например, стеклянной или эбонитовой палочкой, то лепестки, получив заряд одинакового знака, оттолкнутся друг от друга. В таком положении они смогут оставаться довольно долго. Если же к шару поднести тело с другим по знаку зарядом, то расстояние между лепестками уменьшится. Для того чтобы разрядить устройство, нужно просто будет коснуться его рукой.
По углу отклонения можно определить величину заряда, но точность такого измерения оставляет желать лучшего. Поэтому для замеров величин используют другое устройство — электрометр. Такой прибор уже позволяет судить об имеющемся потенциале у тела.
Электрометры бывают механическими и электронными. Первые работают по принципу электроскопа, но вместо листочков в них используется стрелка наподобие той, что ставится в компасах. Электронные же, по сути, являются вольтметрами. Их подключают в цепи параллельно тем точкам, в которых необходимо измерить падение напряжения. Это возможно из-за их высокого внутреннего сопротивления.
Сборка из подручных материалов
Изобрести нового типа устройство, способное выполнять накопление зарядов, довольно сложно. Но вот повторить самостоятельно конструкцию простого электроскопа, пожалуй, будет по силам каждому заинтересованному. Собрать измеритель можно из подручных материалов, которые наверняка можно найти дома.
Для самостоятельного конструирования понадобится:
- железная проволока (лучше из меди);
- фольга;
- ножницы;
- шило;
- пластилин;
- банка с крышкой.
Итак, с помощью шила необходимо выполнить отверстие в крышке диаметр, которого будет совпадать с толщиной проволоки. Затем продеть её через неё проводник. Длина просунутой проволоки должна быть такой, чтобы она не доставала до дна ёмкости. Оптимальное расстояние до низа банки — пять сантиметров. На конце проволоки необходимо сделать крючок.
Теперь с помощью ножниц из фольги нужно вырезать две тонкие полоски длиной два сантиметра. Их назначение будет как раз и заключаться в собирании зарядов. Две полоски последовательно нужно нанизать на крючок. Банку закрыть крышкой, а отверстие возле проволоки загерметизировать пластилином. Устройство практически готово. Останется из фольги скрутить шар и надеть его сверху на выглядывающий конец проводника. Теперь можно переходить к испытанию прибора.
Действие такого электрометра, а называться это самостоятельно собранное устройство будет именно так, основано на природном явлении. Продемонстрировать его можно следующим образом. Взять эбонитовую палочку и потереть её об кусочек материи или, например, расчёску о волосы. Затем дотронуться до шара. Заряды с наэлектризованного тела перейдут на проводник (проволоку). До этого момента стержень был электрически нейтральным. Но теперь заряды группируются по знаку, а проволока заряжается положительно или отрицательно. Такой же знак получает фольга. Из-за того, что две полоски будут иметь однотипный заряд, они оттолкнутся друг от друга.
Стоит отметить интересную особенность, которую редко упоминают в докладах, посвящённых этому явлению. Заключается она в том, что заряды одного знака располагаются при электризации на поверхности проводников. Связано это с тем, что они отталкиваются друг от друга, поэтому и выталкиваются на поверхность.
Электронное устройство с индикацией
Механический прибор, который используют в школах, предназначен для обнаружения заряда. С его помощью демонстрируют принципиальные законы статики. Но вот какими частицами — положительными или отрицательными — наэлектризовано тело, используя его, определить невозможно. Электронное устройство позволяет не только узнать качественно вид заряда, но и измерить его величину.
Принципиальная схема прибора не содержит дефицитных деталей. Собирается она на текстолите размерами 5х8 сантиметров. Печатная плата изготавливается с помощью «лазерно-утюжной технологии». Чертить её удобно в программе Sprint-Layout. При выводе рисунка на печать нужно обратить внимание на зеркальность.
Прибор состоит из двух частей. В верхней распложены светодиоды, вставленные в прорези на корпусе. Для знака «плюс» рекомендуется использовать индикацию зелёного цвета, а «минус» — красного. Прорези можно закрыть калькой или прозрачным оргстеклом. В нижней части размещается распаянная плата. Возле неё монтируется реле и батарейка типа «КРОНА», обеспечивающая схему питанием 9 вольт.
Из радиоэлементов понадобится:
- резисторы — 2,7 Мом, 2,7 кОм, 10 МОм, 1 кОм (2 шт.);
- стабилитроны — Д814 (2 шт.);
- полевой транзистор — 2N3819 (КП302Б);
- четыре светодиода;
- конденсатор — 0,01 мкФ;
- реле — РП-5;
- антенна — металлическая трубочка диаметром 0,2-0,3 мм.
Конденсатор C1 включён в плечо моста, собранного на диодах и подключённого к базе V3. Если к антенне W1 поднести заряженное тело, то на выходах ёмкости появляется напряжение. Оно прикладывается к транзистору и открывает его. В итоге наступает разбалансировка моста, приводящая к срабатыванию реле КР1. Направление тока зависит от знака заряда, вот почему электронный ключ будет подключать одну или другую группу светодиодов.
Чтобы можно было измерять величину зарядов, понадобится дополнительно подключить вольтметр. В качестве его удобно использовать любой мультиметр, умеющий измерять значение постоянного напряжения. Подключать его нужно параллельно конденсатору. Кстати, им можно контролировать не только то, каков будет заряд, но и определять его знак.
