Электроскоп — один из первых научных приборов, использовавшихся для обнаружения наличия электрического заряда на теле. Он обнаруживает заряд по движению тестового объекта под действием кулоновской электростатической силы на нем. Количество заряда на объекте пропорционально его напряжению . Для накопления достаточного количества заряда для обнаружения электроскопом требуются сотни или тысячи 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, количественно измеряющий электрический заряд, называется электрометром .
Электроскоп был первым электрическим измерительным прибором . Первый электроскоп представлял собой поворотную иглу (называвшуюся версориумом ), изобретенную британским врачом Уильямом Гилбертом около 1600 года. [1] [2] Электроскоп с шариком и электроскоп с золотым листом — два классических типа электроскопа [2] , которые до сих пор используются в преподавании физики для демонстрации принципов электростатики . Один из видов электроскопа также используется в кварцевом волоконном дозиметре радиации . Электроскопы использовались австрийским ученым Виктором Гессом при открытии космических лучей .
В 1731 году Стивен Грей использовал простую висящую нить, которая притягивалась к любому близлежащему заряженному объекту. Это было первое улучшение версориума Гилберта 1600 года. [3]
Электроскоп с шариками из сердцевины, изобретенный британским школьным учителем и физиком Джоном Кантоном в 1754 году, состоит из одного или двух маленьких шариков из легкого непроводящего вещества, изначально губчатого растительного материала, называемого сердцевиной , [4], подвешенного на шелковой или льняной нити к крючку изолированной подставки. [5] Тиберий Кавалло изготовил электроскоп в 1770 году с шариками из сердцевины на конце серебряных проводов. [3] Современные электроскопы обычно используют шарики из пластика. Чтобы проверить наличие заряда на объекте, объект подносят к незаряженному шарику из сердцевины. Если объект заряжен, шарик будет притягиваться к нему и двигаться к нему.
Притяжение происходит из-за индуцированной поляризации [6] атомов внутри шарика сердцевины. [7] [8] [9] [10] Вся материя состоит из электрически заряженных частиц, расположенных близко друг к другу; каждый атом состоит из положительно заряженного ядра с облаком отрицательно заряженных электронов, окружающих его. Сердцевина является непроводником , поэтому электроны в шарике связаны с атомами сердцевины и не могут свободно покидать атомы и перемещаться в шарике, но они могут немного перемещаться внутри атомов. Смотрите схему. Если, например, положительно заряженный объект (B) поднести к шарику сердцевины (A) , отрицательные электроны (синие знаки минус) в каждом атоме (желтые овалы) будут притягиваться и слегка перемещаться в сторону атома, ближнего к объекту. Положительно заряженные ядра (красные знаки плюс) будут отталкиваться и немного отдаляться. Поскольку отрицательные заряды в шарике теперь находятся ближе к объекту, чем положительные заряды (C) , их притяжение больше, чем отталкивание положительных зарядов, что приводит к чистой силе притяжения. [7] Это разделение зарядов микроскопично, но поскольку атомов так много, крошечные силы складываются в достаточно большую силу, чтобы сдвинуть легкий шарик.
Шарик можно зарядить, прикоснувшись им к заряженному объекту, так что часть зарядов на поверхности заряженного объекта переместится на поверхность шара. Затем шар можно использовать для различения полярности заряда на других объектах, поскольку он будет отталкиваться от объектов, заряженных той же полярностью или знаком, что и он, но притягиваться к зарядам противоположной полярности.
Часто электроскоп имеет пару подвешенных шариков. Это позволяет с первого взгляда определить, заряжены ли шарики. Если один из шариков коснуться заряженного объекта, зарядив его, второй притянется и коснется его, передав часть заряда поверхности второго шарика. Теперь оба шарика имеют одинаковый заряд полярности, поэтому они отталкиваются друг от друга. Они висят в форме перевернутой буквы «V», а шарики раздвинуты. Расстояние между шариками даст приблизительное представление о величине заряда.
Электроскоп с золотым листом был разработан в 1787 году британским священнослужителем и физиком Авраамом Беннетом [ 4] как более чувствительный инструмент, чем электроскопы с шариками или соломенными лезвиями, которые использовались в то время. [11] Он состоит из вертикального металлического стержня, обычно латунного , с конца которого свисают две параллельные полоски тонкого гибкого золотого листа . К верхней части стержня прикреплен дисковый или шаровой вывод, на который подается проверяемый заряд. [11] Чтобы защитить золотые листы от сквозняков воздуха, их заключают в стеклянную бутылку, обычно открытую снизу и установленную на проводящем основании. Часто в бутылке имеются заземленные металлические пластины или полоски фольги, обрамляющие золотые листы с обеих сторон. Это мера безопасности; если на нежные золотые листы подается чрезмерный заряд, они коснутся заземляющих пластин и разрядятся перед тем, как разорваться. Они также улавливают заряд, протекающий через воздух, который накапливается на стеклянных стенках, что повышает чувствительность прибора. В точных приборах внутренняя часть бутылки время от времени вакуумировалась, чтобы предотвратить утечку заряда на клемме из-за ионизации воздуха.
Когда к металлическому терминалу прикасаются заряженным предметом, золотые листья расходятся в стороны в форме перевернутой буквы «V». Это происходит потому, что часть заряда от объекта передается через терминал и металлический стержень к листьям. [11] Поскольку листья получают заряд одного знака, они отталкиваются друг от друга и, таким образом, расходятся. Если терминал заземлить , коснувшись его пальцем , заряд передается через человеческое тело в землю, и золотые листья сближаются.
Листочки электроскопа также можно заряжать, не прикасаясь заряженным предметом к клемме, с помощью электростатической индукции . Когда заряженный предмет подносится к клемме электроскопа, листочки расходятся, потому что электрическое поле от предмета индуцирует заряд в проводящем стержне электроскопа и листочках, и заряженные листочки отталкиваются друг от друга. Заряд противоположного знака притягивается к близлежащему предмету и собирается на диске клеммы, в то время как заряд того же знака отталкивается от предмета и собирается на листочках (но только в той степени, в которой он покинул клемму), поэтому листочки отталкиваются друг от друга. Если электроскоп заземлить, когда заряженный предмет находится поблизости, то, прикоснувшись к нему на мгновение пальцем, оттолкнувшиеся заряды того же знака перейдут через контакт на землю, оставив электроскоп с чистым зарядом, имеющим противоположный знак, чем у предмета. Сначала листочки свободно свисают, потому что чистый заряд сосредоточен на конце клеммы. Когда заряженный предмет отодвигается, заряд на клемме распространяется на листочки, заставляя их снова расходиться.
