Электроскоп - Electroscope

Для концептуальной модели телевидения XIX века см. Телескоп.
Гилберта версориум

An электроскоп это ранний научный инструмент используется для обнаружения присутствия электрический заряд на теле. Он обнаруживает заряд по движению тестового объекта из-за Кулоновская электростатическая сила в теме. Сумма заряда на объекте пропорциональна его Напряжение. Для накопления заряда, достаточного для обнаружения с помощью электроскопа, требуются сотни или тысячи вольт, поэтому электроскопы используются с источниками высокого напряжения, такими как статичное электричество и электростатические машины. Электроскоп может дать лишь приблизительное представление о количестве заряда; прибор, который количественно измеряет электрический заряд, называется электрометр.

Электроскоп был первым электрическим измерительный инструмент. Первый электроскоп представлял собой вращающуюся иглу (называемую версориум ), изобретенный британским врачом Уильям Гилберт около 1600 г.[1][2] В пробковый электроскоп и электроскоп с позолотой два классических типа электроскопов[2] которые до сих пор используются в физическом образовании для демонстрации принципов электростатика. Тип электроскопа также используется в дозиметр излучения из кварцевого волокна. Электроскопы использовал австрийский ученый. Виктор Гесс в открытии космические лучи.

Пробковый электроскоп

Электроскоп Pith Ball 1870-х годов, показывающий притяжение к заряженному объекту
Как это устроено

В 1731 году Стивен Грей использовал простую висящую нить, которая притягивалась к любому ближайшему заряженному объекту. Это было первое улучшение Гилберта. версориум с 1600.[3]

Электроскоп с пробковым шаром, изобретенный британским школьным учителем и физиком Джон Кантон в 1754 году состоит из одного или двух маленьких шариков из легкого непроводящего вещества, первоначально губчатого растительного материала, называемого сердцевина,[4] приостановлено шелк или льняной нитью от крючка изолированный стоять.[5] Тиберий Кавалло в 1770 году сделал электроскоп с пробковыми шариками на концах серебряных проволок.[3] В современных электроскопах обычно используются шарики из пластика. Чтобы проверить наличие заряда на объекте, его подносят к незаряженному пробковому шару. Если объект заряжен, шар притянется к нему и двинется к нему.

Притяжение возникает из-за наведенного поляризация[6] из атомы 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 ядро с облаком отрицательно заряженных электроны окружающий его. Сердцевина - это непроводник, Итак электроны в шаре связаны с атомами сердцевины и не могут свободно покидать атомы и перемещаться в шаре, но они могут немного перемещаться внутри атомов. См. Диаграмму справа. Если, например, положительно заряженный объект (В) подносится к пробковому шару (А), отрицательный электроны (синие минусовые знаки) в каждом атоме (желтые овалы) будет притягиваться и немного двигаться в сторону атома ближе к объекту. Положительно заряженный ядра (красные знаки плюса) будет отталкиваться и немного отодвинется. Поскольку отрицательные заряды в пробковом шаре теперь ближе к объекту, чем положительные (С), их притяжение больше, чем отталкивание положительных зарядов, что приводит к чистой силе притяжения.[7] Это разделение зарядов микроскопическое, но поскольку атомов очень много, крошечные силы складываются в достаточно большую силу, чтобы переместить легкий сердцевинный шар.

Пробковый шар можно зарядить, прикоснувшись им к заряженному объекту, поэтому некоторые заряды на поверхности заряженного объекта перемещаются к поверхности шара. Затем шар можно использовать для определения полярности заряда на других объектах, потому что он будет отталкиваться объектами, заряженными той же полярности или знака, но притянутыми зарядами противоположной полярности.

Часто у электроскопа есть пара подвешенных пробковых шариков. Это позволяет сразу определить, заряжены ли пробковые шары. Если один из пробковых шариков касается заряженного объекта, заряжая его, второй притягивается и касается его, передавая часть заряда поверхности второго шара. Теперь оба шара имеют заряд одинаковой полярности, поэтому они отталкиваются друг от друга. Они свешиваются в форме перевернутой буквы «V» с разложенными в стороны шарами. Расстояние между шарами даст приблизительное представление о величине заряда.

Электроскоп с позолотой

Электроскоп сусального золота показывает электростатическая индукция
Использование электроскопа для демонстрации электростатической индукции. Устройство имеет листья / иглу, которые заряжаются при введении в него заряженного стержня. Листья изгибают лист / иглу, и чем сильнее создается статический заряд, тем сильнее изгибается.

В сусальное золото Электроскоп был разработан в 1787 году британским священником и физиком. Авраам Беннет,[4] как более чувствительный инструмент, чем пробковый шар или солома тогда использовались лезвийные электроскопы.[11] Он состоит из вертикального металл стержень, обычно латунь, с конца которого свисают две параллельные полосы тонкой гибкой сусальное золото. К верхней части стержня прикрепляется дисковый или шаровой наконечник, куда прикладывается тестируемый заряд.[11] Чтобы защитить золотые листья от сквозняков воздуха, их помещают в стеклянную бутылку, обычно открываемую снизу и устанавливаемую над крышкой. проводящий основание. Часто бывают заземленный металлические пластины или полосы фольги в бутылке, 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 протекающий через воздух заряд, который накапливается на стеклянных стенках, что увеличивает чувствительность прибора. В точных приборах внутренняя часть баллона периодически откачивалась, чтобы предотвратить утечку заряда на клемме из-за ионизации воздуха.

Когда металлический вывод касается заряженного предмета, золотые листья расходятся в виде перевернутой буквы «V». Это связано с тем, что часть заряда объекта проходит через вывод и металлический стержень к листам.[11] Поскольку они получают одинаковый заряд знака, они отталкиваются друг от друга и, таким образом, расходятся. Если терминал заземленный прикоснувшись к нему Палец, заряд передается через тело человека в землю и золотые листья близко друг к другу.

Электроскоп также можно заряжать, не касаясь им заряженного объекта. электростатическая индукция. Если поднести заряженный объект к выводу электроскопа, то листья тоже расходятся, потому что электрическое поле объекта заставляет заряды в стержне электроскопа разделять листья. Заряды противоположной полярности заряженному объекту притягиваются к клемме, в то время как заряды той же полярности отталкиваются к листьям, заставляя их распространяться. Если клемму электроскопа заземлить, когда заряженный объект находится поблизости, при кратковременном прикосновении к нему пальцем заряды той же полярности на листьях стекают на землю, оставляя электроскоп с чистым зарядом, противоположным полярности объекта. Листы закрываются, потому что весь заряд сосредоточен на конце. Когда заряженный объект удаляется, заряд на терминале распространяется на листья, заставляя их снова разлетаться.

  • Электроскопы с позолотой

  • Конденсационный электроскоп, кафедра физики Римского университета.

  • Электроскоп примерно 1910 года с заземляющими электродами внутри банки, как описано выше.

  • Электрометр Кольбе, прецизионная форма сусального золота. У этого есть легкая поворотная алюминиевая лопасть, висящая рядом с вертикальной металлической пластиной. При зарядке лопасть отталкивается от пластины и свешивается под углом.

  • Самодельный электроскоп, 1900 г.

Смотрите также

Сноски

  1. ^ Гилберт, Уильям; Эдвард Райт (1893). О магнетитах и ​​магнитных телах. Джон Вили и сыновья. п.79. перевод П. Флери Моттелэя Уильяма Гилберта (1600) Die Magnete, Лондон
  2. ^ а б Флеминг, Джон Эмброуз (1911). "Электроскоп". В Чисхолме, Хью (ред.). Британская энциклопедия. 9 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. п. 239.
  3. ^ а б Бейгри, Брайан (2007). Электричество и магнетизм: историческая перспектива. Вестпорт, Коннектикут: Greenwood Press. п. 33.
  4. ^ а б Дерри, Томас К .; Уильямс, Тревор (1993) [1961]. Краткая история технологии: с древнейших времен до 1900 г.. Дувр. п. 609. ISBN  0-486-27472-1. п. 609
  5. ^ Эллиотт, П. (1999). «Авраам Беннет F.R.S. (1749–1799): провинциальный электрик в Англии восемнадцатого века» (PDF). Примечания и отчеты Лондонского королевского общества. 53 (1): 61. Дои:10.1098 / рснр.1999.0063. JSTOR  531928. S2CID  144062032.
  6. ^ Шервуд, Брюс А .; Рут В. Чабай (2011). Материя и взаимодействия (3-е изд.). США: Джон Уайли и сыновья. С. 594–596. ISBN  978-0-470-50347-8.
  7. ^ а б Каплан MCAT Physics 2010–2011. США: Kaplan Publishing. 2009. с. 329. ISBN  978-1-4277-9875-6. Архивировано из оригинал 31 января 2014 г.
  8. ^ Пол Э. Типпенс, Электрический заряд и электрическая сила, Презентация PowerPoint, стр. 27–28, 2009 г., S. Polytechnic State Univ. В архиве 19 апреля 2012 г. Wayback Machine на сайте DocStoc.com
  9. ^ Хендерсон, Том (2011). «Заряды и начисления взаимодействий». Статическое электричество, Урок 1. Кабинет физики. Получено 2012-01-01.
  10. ^ Винн, Уилл Винн (2010). Введение в понятную физику. 3. Электричество, магнетизм и свет. США: Авторский дом. п. 20.4. ISBN  978-1-4520-1590-3.
  11. ^ а б c * [Анон.] (2001) "Электроскоп", Британская энциклопедия

внешняя ссылка