Обычно электроскоп сделан из двух полосок золотой фольги в стеклянном сосуде, редко у кого имеется и, как правило, недоступен обычным ученикам. В этой статье я расскажу вам как в домашних условиях сделать электроскоп из подручных материалов. Электроскоп – это инструмент, позволяющий обнаружить электрозаряд, им легко и просто пользоваться.
Принцип работы
Электрометр — это прибор, который используется для выявления статического электричества около находящихся предметов, использует эффект соединения внутренних тонких металлических листов из-за электростатического притяжения. Статическое поле появляется на внешней части объекта за счет трения или происходящей нагрузки.
Устройство предназначается для определения наличия типа заряда с помощью переноса электронов с сильно заряженных участков на разряженные поверхности. Помимо этого, с учетом реакции пластин это позволяет определить величину электрического импульса предмета. Сфера, которая находится сверху прибора, является приемником заряда предмета изучения.
При приближении электростатически заряженного объекта ближе к устройству оно получит такой же электрозаряд от предмета. То есть, если подойти к объекту, который положительно заряжен, прибору передастся такой же заряд.
Если электрометр уже имел известный электрический импульс, можно увидеть следующее:
Металлические листы в приборе должны иметь легкий вес, чтобы их масса могла сбалансировать воздействие электрических сил отторжения. Так, если отодвигать предмет изучения от устройства, в пластинах снижается поляризация и они становятся в естественное положение («закрываются»).
Второй вариант
Использовать электроскоп можно не только для того, чтобы проверить силу заряда определенного предмета. Это оборудование также подходит для того, чтобы определить ионизацию воздуха. То есть он может быть использован для проверки радиации. Как уже говорилось ранее, основной принцип действия электроскопа основывается на определенном законе. Тут стоит добавить, что если отградуировать шкалу на таком устройстве, можно точно определить силу заряда. Такие вещи некоторые называют электромерами.
Проверка работы электроскопа
Вот мы и полностью выяснили, как сделать электроскоп. Давайте теперь тестировать свое изобретение. Проведите несколько простых, но интересных опытов:
- Поднесите к верхней части медной проволоки руку — лепестки фольги или папирусной бумаги в ответ на это должны немного приподняться в воздухе, отталкиваясь друг от друга. Сейчас вы только что доказали, что человеческое тело проводит электрический заряд, пусть даже слабый.
- А теперь приблизьте к проволоке наэлектризованный предмет. Самым простым вариантом будет пластмассовая расческа, которой причесали волосы, воздушный шарик или ручка, потертая о шерстяное изделие. Кусочки фольги или бумаги внутри прибора гораздо заметнее будут отталкиваться, при этом приподнимаясь вверх и в стороны.
- Еще сильнее наэлектризуйте расческу, потерев ее, например, о шерстяную кофту. Прибор движением своих элементов тут же уведомит вас об увеличении ее электрического заряда.
Вот и все, что мы хотели рассказать вам о том, как сделать электроскоп своими руками дома или в школе. Теперь у вас есть прибор, который верно определит электрический заряд любого предмета — смартфона, аксессуара для одежды, посуды, канцелярских товаров, мелкой бытовой техники и даже нас с вами. Работа его очень проста: следует только близко поднести к верхней части электроскопа объект исследования.
Теоретические сведения
Электрическим зарядом называется способность тел создавать электромагнитное поле. В физике раздел электростатики изучает взаимодействия неподвижных относительно выбранной инерциальной системы отчета зарядов.
В чем измеряется
Единица измерения в системе СИ называется «Кулон» – это электрический заряд, проходящий через сечение проводника 1 Ампер за 1 секунду.
Буквенное обозначение – Q или q. Может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Название носит в честь физика Шарля Кулона, он вывел формулу для нахождения сил взаимодействия между ними, она называется «Закон Кулона»:
В ней q1, q2 – модули зарядов, r – расстояние между ними, k – коэф-т пропорциональности.
Формула похожа на закон притяжения, в принципе она и описывает подобное взаимодействие. Он имеет наименьшую массу. Его электрический заряд отрицателен и он равен:
-1.6*10^(-19) Кл
Позитрон – это противоположная величина электрону, также состоит из одного положительного элементарного заряда.
Кроме того, что он дискретен, квантуется или измеряется порциями, для него еще и справедлив Закон сохранения зарядов, который говорит о том, что в замкнутой системе могут возникать только одновременно заряды обоих знаков. Простым языком – алгебраическая (с учетом знаков) сумма зарядов частиц и тел, в замкнутой (изолированной) системе всегда остается неизменной. Он не изменяется со временем или при движении частицы, он постоянен в течение её времени жизни. Простейшие заряженные частицы условно сравнивают с электрическими зарядами.
Закон сохранения электрических зарядов впервые подтвердил Майкл Фарадей в 1843 году. Это один из фундаментальных законов физики.
Проводники, полупроводники и диэлектрики
В проводниках есть много свободных зарядов. Они свободно перемещаются по всему объему тела. В полупроводниках свободных носителей почти нет, но если передать телу небольшую энергию они образуются, в результате чего тело начинает проводить электрический ток, т.е. электрические заряды начинают движение. Диэлектриками называют вещества, где число свободных носителей минимально, поэтому ток через них протекать не может или может при определенных условиях, например, очень высокое напряжение.
Электроскоп
Рис. 1. Электроскоп содержит металлический стержень, к которому с одной стороны прикреплена чаша, а с другой – две полоски бумаги. Некоторые электроскопы снабжены шкалой
Устроен прибор так. Металлический стержень вертикально входит в металлический корпус (рис. 1).
К стержню с одной стороны присоединена чаша, изготовленная из металла. Чаша находится в верхней части стержня, за пределами корпуса электроскопа.
А к другому концу стержня, находящемся внутри корпуса, присоединены две тонкие полоски бумаги.
Между стержнем и корпусом находится пробка из пластмассы. Она не дает заряду со стержня стекать на корпус.
В корпусе с двух сторон присутствуют стеклянные окошки, чтобы можно было наблюдать за поведением бумажных полосок.
Так же, в корпус встроена шкала с делениями. Она помогает оценивать углы, на которые бумажные полоски расходятся.
Некоторые электроскопы имеют боле простую конструкцию (рис. 2). В них стержень с листочками помещается в стеклянную колбу. Шкала в таких простейших приборах не предусмотрена.
Рис. 2. Самодельный электроскоп не содержит шкалы, металлический стержень с полосками бумаги помещен в стеклянную колбу
История создания
Впервые доклад об изобретении электроскопа написал физик и врач Вильям Гилберт, работавший в Великобритании при правлении Елизаветы Первой. Этот ученый также является «отцом» электромагнетизма за счет большого вклада в науку в XVII столетии. Он создал первое устройство в 1601 г. для углубления опытов с электричеством.
Первый прибор, который назывался версориум, представлял собой конструкцию, где металлическая иголка свободно вращалась на специальном пьедестале.
Конфигурация этого устройства сильно напоминала обычный компас, однако здесь была не намагниченная игла. Ее концы зрительно отличались между собой. Помимо этого, одно окончание имело отрицательный заряд, а второе — положительный.
Принцип работы был основан на импульсах, которые возникали на концах благодаря электромагнитной индукции. То есть с учетом того, какой стороной иголка располагалась максимально близко к предмету, реакция конца заключалась в том, чтобы отталкиваться или притягиваться к объекту.
В начале 1783 г. знаменитый физик из Италии Алессандро Вольта создал конденсационный электрометр, обладающий повышенной чувствительностью для определения электрозарядов.
Но самых больших успехов добился астроном и математик из Германии Иоганн Готтлиба, он изобрел золотой листовой прибор. Рисунок этого устройства напоминает конструкцию, которая используется в наше время. Оборудование имело стеклянный колокол со стальной сферой сверху. При этом последняя соединялась проводником с двумя тонкими золотыми листами. Пластины соединялись или расходились с учетом приближения электрического заряженного предмета.
Создаем электроскоп
А вот теперь подробно разберем, как сделать электроскоп из банки или другой стеклянной емкости:
- Первым делом примемся за крышку или пробку. Шилом, штопором или толстой иголкой проделайте в этом предмете такое отверстие, чтобы через него могла пройти проволока, при этом не свободно, а плотно.
- Если отверстие получилось слишком широким, то проволоку необходимо зафиксировать в нем с помощью скотча, изоленты, бумаги или пластилина.
- Протяните проволоку. При этом меньшая ее часть остается снаружи, над крышкой, а большая будет находиться в банке.
- Продолжаем рассказывать о том, как сделать электроскоп. После того как вы протянули проволоку через крышку, загните крючком ту ее часть, которая будет находиться в колбе. Можно сделать это руками, а можно используя специальный инструмент — иглогубцы. Крючок должен быть в форме буквы W.
- Проволока должна свободно помещаться в таком виде в емкости, не задевая при этом ее стенок или дно.
- Наденьте на проволочный крючок фольгу либо папирусную бумагу. Эти элементы должны помещаться в нижних уголках крючка, загнутого по форме W. И тоже не должны касаться дна банки или колбы.
- Теперь осталось плотно закупорить емкость крышкой. Теперь можно приступить к испытаниям своего собственного электроскопа.
Зарядка электроскопа
Наличие электрической зарядки прибора требуется для определения природы импульса исследуемого предмета, куда подносят оборудование. Если заряд электрометра предварительно не узнать, то не получится определить, является ли нагрузка на теле такой же либо она противоположна.
Перед зарядом оборудования оно должно находиться в нейтральном состоянии — быть внутри с одинаковым количеством электронов и протонов. Поэтому, перед тем как заряжать, необходимо установить устройство на пол и подключить электрометр к заземлению, так можно обеспечить нейтральность нагрузки прибора. Разрядку оборудования можно произвести, если прикоснуться к нему металлическим предметом.
Существует несколько способов зарядки прибора перед проведением испытаний:
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.
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.
Изготовление своими руками
Изготовить самостоятельно простейший электроскоп довольно просто. Требуемые детали легко купить, а сборка производится очень быстро.
Необходимые материалы:
Вначале нужно отрезать медную проволоку длиной около 25 см. Один ее конец сгибается в форме спирали. Он будет играть роль сферы приемника электрического заряда. Этот этап важен, поскольку спираль способствует передаче электронов от изучаемого объекта к электрометру из-за своей большой площади. Проделайте в пробке отверстие и проденьте проволоку. Сделайте L-образный изгиб снизу.
Обрежьте две пластины из фольги в виде треугольника длиной приблизительно 4 см. Главное, чтобы эти ламели были одинаковые. Удостоверьтесь, что они достаточного размера, чтобы не касаться внутренней поверхности банки. На проволоку крепят пластины через предварительно проделанные два отверстия в фольге.
Нужно постараться сделать скольжение ламелей максимально плавным. Закройте осторожно пробкой банку, чтобы треугольники не повредились и не испортили сборку.
Обе пластины должны находиться в контакте друг с другом при герметизации емкости. Если соединение отсутствует, то нужно изменить изгиб проволоки, пока ламели не будут соприкасаться между собой.
Общие сведения
Электроскоп нужен, чтобы измерять электрические заряды в рядом находящихся предметах. А также его использование позволяет определить полярность: положительная или отрицательная. Схема физического устройства проста, прибор состоит из металлического стержня, который заключен в стеклянную колбу.
На окончаниях находятся две тонкие алюминиевые или золотые пластины, снизу они соединяются. При этом конструкция закрывается изоляционной крышкой, а сверху торца находится специальная сфера, которая называется «коллектор».
Во время приближения электрически заряженного предмета к электроскопу находящиеся снизу устройства ламели имеют две реакции:
- Если ламели отдаляются, это обозначает, что тело имеет такой же заряд, как электрометр.
- Если они соединяются, это обозначает, что предмет имеет противоположный заряд.
Электроскопы позволяют определять, каково накопление электрического заряда, при этом они указывают знак полярности и ее интенсивности.
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.
Модификации прибора
После того как мы разобрали, как сделать электроскоп самой простой конструкции, приведем несколько рекомендаций для тех, кто хочет видеть свой прибор более продвинутым:
- Для повышения емкости электроскопа займитесь верхней частью проволоки, возвышающейся над крышкой: проще всего свернуть ее спиралью.
- Еще один вариант увеличения емкости: надеть на верхнюю половину проволоки обмотанный фольгой пластиковый шарик.
- Если у вас под рукой паяльный инструмент, то к наружному отрезку проволоки можно припаять небольшой металлический элемент.
