靜電計(jì)與驗(yàn)電器的差異及工作原理

靜電計(jì)與驗(yàn)電器的差異及工作原理

將靜電計(jì)的金屬球和金屬外殼分別與被測(cè)量的導(dǎo)體用導(dǎo)線連接，例如分別與平行板電容器的正負(fù)極板相連．當(dāng)電荷停止移動(dòng)后，靜電計(jì)的金屬桿與外殼之間的電勢(shì)差，跟平行板電容器兩極板間的電勢(shì)差相等．由于靜電計(jì)也是一個(gè)電容器，其指針?biāo)鶐щ姾闪扛羔樅屯鈿らg的電勢(shì)差成正比，電勢(shì)差越大，指針帶電荷量越多，張開(kāi)的角度也越大，所以根據(jù)指針?biāo)缚潭?，可以定量地知道指針與外殼問(wèn)的電勢(shì)差，也就知道了平行板電容器兩極板間的電勢(shì)差．由于靜電計(jì)的電容量很小，所獲得的電荷量與平行板電容器原來(lái)所帶電荷量相比較可以忽略不計(jì)，故可認(rèn)為測(cè)量前后平行板電容器所帶電荷量基本不變，兩板電勢(shì)差也基本不變．

靜電計(jì)與驗(yàn)電器

靜電計(jì)和驗(yàn)電器是研究靜電場(chǎng)特性的兩種重要實(shí)驗(yàn)儀器，但對(duì)這兩種儀器在結(jié)構(gòu)和作用方面的異同，多數(shù)人并不清楚，甚至存在一些誤解。例如認(rèn)為“只要把驗(yàn)電器的金屬箔換成金屬指針就變成靜電計(jì)”，對(duì)“靜電計(jì)為什么能測(cè)量電勢(shì)差”、“靜電計(jì)不能用來(lái)測(cè)量直流電路的電勢(shì)差”等問(wèn)題，也有模棱兩可，說(shuō)不清楚。為此，本文對(duì)這兩種儀器的結(jié)構(gòu)和用途等方面的差異作些必要的辨析。

一  構(gòu)造上的差異

zui常用的金箔驗(yàn)電器，

它是檢驗(yàn)物體是否帶電的zui簡(jiǎn)單的儀器，構(gòu)造如圖1a所示。在玻璃瓶口處有一橡膠塞，塞中插一根金屬桿，桿的上端有一金屬球，下端懸掛一對(duì)金箔（或鋁箔）。當(dāng)帶電體與金屬小球接觸時(shí)，箔片因帶同性電荷相排斥而張開(kāi)。為了避免氣流的影響，金屬棒和箔片封閉在一個(gè)玻璃瓶中，棒與瓶間有絕緣材料相隔。高中物理課本上介紹的驗(yàn)電器如圖1b，是歷**個(gè)驗(yàn)電器，是英國(guó)的W·吉伯在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中制作的，也是金箔驗(yàn)電器，結(jié)構(gòu)基本上相同而靜電計(jì)是用靜電方法測(cè)量電勢(shì)差的儀器。

實(shí)驗(yàn)室常用的靜電計(jì)是布勞恩靜電計(jì)，它的結(jié)構(gòu)是在*緣底座上裝一鼓形鐵殼，鐵殼的前面裝有透明玻璃，后面裝有標(biāo)有刻度的毛玻璃，在金屬殼中絕緣地安裝一根金屬桿，桿的上端為金屬小球，金屬桿下部的水平軸上裝有金屬指針，可繞水平軸靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。圓筒的底部有接線柱，可用來(lái)接地或與其他導(dǎo)體相連。這樣，靜電計(jì)的金屬外殼與內(nèi)部的金屬桿及金屬指針構(gòu)成了一個(gè)特殊的電容器。

二  工作原理及用途上的差異

1.驗(yàn)電器原理及其用途

驗(yàn)電器的原理：當(dāng)驗(yàn)電器指示系統(tǒng)帶電后，由于同種電荷的排斥力使指示器發(fā)生偏轉(zhuǎn)，它是從力的角度來(lái)反映導(dǎo)體帶電的情況。當(dāng)指示系統(tǒng)具有一定的偏轉(zhuǎn)角時(shí)，其重力矩與靜電力矩平衡。

驗(yàn)電器的主要用途：檢驗(yàn)物體是否帶電，比較帶電的種類(lèi)以及所帶電荷量的多少等。

2.靜電計(jì)原理及其用途

靜電計(jì)的原理是：從上面的構(gòu)造分析，我們知道靜電計(jì)本身其實(shí)就是一個(gè)電容器。金屬球、金屬桿、指針相當(dāng)于電容器的一個(gè)電極，金屬外殼也相當(dāng)于一個(gè)電極，它們之間是絕緣的。其電容的大小由金屬殼的幾何尺寸的大小和金屬桿及指針的長(zhǎng)短、位置所決定。因?yàn)橹羔樀钠D(zhuǎn)角變化對(duì)靜電計(jì)的電容的影響很小，故在指針轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中可近似認(rèn)為靜電計(jì)的電容值不變?，F(xiàn)以測(cè)電容器電壓（如圖2）為例說(shuō)明其原理。將一個(gè)已充電電量為Q的平板電容器與靜電計(jì)相連，此時(shí)指針和金屬桿帶正電，外殼的內(nèi)表面將出現(xiàn)負(fù)的感應(yīng)電荷，從而在金屬桿與外殼間形成電場(chǎng)，指針表面的電荷受到電場(chǎng)力的作用，或者說(shuō)受到來(lái)自桿上同種電荷的排斥力及金屬盒內(nèi)壁的異種電荷的吸引力，使得指針偏轉(zhuǎn)，帶電量越多，場(chǎng)強(qiáng)越強(qiáng)，則指針的偏角也越大。根據(jù)，可知當(dāng)靜電計(jì)電容保持不變時(shí)，靜電計(jì)兩極間的電勢(shì)差U與其帶電量Q成正比，U越大，Q越大，指針?biāo)茈妶?chǎng)力越大，指針張角因此就越大。由此可見(jiàn)，指針張角大小能定性地反映靜電計(jì)兩極間的電勢(shì)差的大小。

由于靜電計(jì)的特殊結(jié)構(gòu)，使得它又具備驗(yàn)電器不能替代的某些作用。它不但可以定性測(cè)量?jī)蓪?dǎo)體的電勢(shì)差（這點(diǎn)上面已有，故不重述），還可以定性測(cè)量某導(dǎo)體的電勢(shì)，甚至還可以測(cè)量直流電路中的電勢(shì)差。

既然靜電計(jì)本身也是一個(gè)電容器，那么把靜電計(jì)并聯(lián)在直流電路中電勢(shì)差不為零的兩點(diǎn)時(shí)，靜電計(jì)就會(huì)被充電，其指針就應(yīng)該偏轉(zhuǎn)。但實(shí)際上在一般直流電路中，由于電壓較小，使靜電計(jì)所帶電荷量很小，指針的偏轉(zhuǎn)角度幾乎覺(jué)察不出來(lái)。靜電計(jì)上的刻度一般是以靜伏（靜電系單位）為單位的，而1靜伏=300V。故一般的直流電壓不能使靜電計(jì)指針有明顯偏轉(zhuǎn)。如果把靜電計(jì)接在具有幾百、幾千甚至幾萬(wàn)伏電壓的直流電路中，靜電計(jì)指針就會(huì)有明顯偏轉(zhuǎn)，也就可以用靜電計(jì)來(lái)測(cè)量某兩點(diǎn)間的電壓。例如把靜電計(jì)接在感應(yīng)圈的副線圈上，指針偏轉(zhuǎn)角度會(huì)忽大忽小，說(shuō)明感應(yīng)圈輸出的是不穩(wěn)定的脈動(dòng)電壓。由上可知，驗(yàn)電器與靜電計(jì)從原理和用途上看都不能說(shuō)是一回事，它們只是在結(jié)構(gòu)上相似而已。