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静电计
静电计的使用原理
静电计又叫电势差计或指针验电器,它是中学静电实验中常用的半定量测量仪
器。如图1所示,包括小球 a、指针bc的中心杆A用绝缘塞D固定在有前后玻璃窗的圆形金属外壳 B上;B的侧下方有一个接线柱;整个装置固定在一个绝缘支架上。
当A带电时,电荷主要分布在 a、b、c和d四个尖端部位,其中 c和d两部分所带电荷以斥力相作用,指针受到一个使它张开的电力矩 L1的作用。由于指针的重心略在旋转轴O点之下,当L1使指针张开后,指针的重力便产生一个使指针复位的重力矩L2。随着指针的偏转,L1渐小(因为c与d的距离增加,库仑力变小,力臂也变小)而L2渐大(因为重力力臂增加)。当 L1与L2相等时,指针停在某一位置
(是稳定平衡),指针的张角为 α°
当A所带电量q较大时,c和d所带电量也较大,L1就大,所以α也就大。由于q决定α,所以α的大小能表示q的大小。这就是静电计可以当作验电器使用的道理。
由于静电感应,当A带电后,B的内层一定带上与 A异号的电荷。若B不接地,则B的外表面带上与 A同号的电荷。若 B接地,则B的外表面不带电。由于静电计结构的对称性,可以祖略地认为 B上的电荷对指针的作用力不产生使指针转动的力
矩,指针的张角主要由 c和d所带电量决定。一、静电计的第一类用途:作验电器用。
由于B的屏蔽作用,使 A的下部较少受外界电场的影响。而 A的上端a露在B之外,所以,外电场能由 A的上端施加感应。当带电体移近不带电的静电计时,由于静电感应,A的上部a处出现与带电体异号的电荷,而 A的下端c和d处出现与a
等量的、与带电体同号的电荷。于是指针就张开了。带电体所带电量越多、移得越近,则张角越大。当带电体移去时,指针又回到原位。我们可以用这种感应法检验物体是
否带电、带电多少及演示静电感应现象。
某物体与不带电的静电计的 a处接触后移去,若此时静电计指针张开,说明静电计因与该物体接触而带电,从而可以判定这个物体是带电体。若物体与不带电静电计
的a处接触后移去,静电计指针仍闭合,则证明该物体与 a接触的部位不带电。指针是否张开及张开角度大小能用来判定物体与 a接触部位是否带电及带电多少。这种接
触法不能对物体未接触部位的带电情况作出判断, 更不能用来测量整个物体所带的电量,有很大局限性。
为测量电量,应把静电计 a处的小金属球换成一个法拉第圆筒(上端有开口的薄壁金属容器)。把欲测其带电量的物体放入法拉第圆筒(如图 2)。设此物体带电量为q1。若该物体是导体,则它所带的电荷在与筒接触时全部移到筒外,进而分布在
整个A上。若该物体是绝缘体,它放入法拉第圆筒后,只有少数接触点处的电荷移至筒的外表面。但由于静电感应,圆筒的内壁带上与物体此时所带电荷等量的异种电荷,而筒的外表面增加了同样多的与带电体同号的电荷。总之,筒的外表面(实际上是整个A)所带电量等于物体原来所带的全部电量 q1。这样,不论是导体还是绝缘体,只要把它放入法拉第圆筒,静电计的指针张角 α就可以用来测量它所带的电量。
加装法拉第圆筒后,静电计就可以用来演示静电平衡时导体表面电荷分布的规律了。如图3所示,带绝缘柄的金属小球先后与带电尖形导体的 3、2和1处接触后,与筒的内壁相碰,将与尖形导体接触时所带之电荷移至静电计 A上。由静电计的不同张角可以判断出凹进的 3处不带电、2处带少量电荷、而尖端 1处带电最多。这表明静电平衡时导体表面曲率大处电荷密集,尖端带电最多。
静电计还可以用来检验物体所带电荷的种类(正或负)。正确的检验方法是 “感应法”。具体办法是先使静电计中心杆 A带上已知种类的电荷。例如用丝绸摩擦过的玻璃棒接触a球,使A带上正电荷,静电计指针张开一个中等角度。若带电体由远处向静电计移近的过程中,静电计指针张角越来越大,则此物体带的电荷与静电计原来
所带的电荷同类(正电荷)。因为带正电荷的物体移近时,与 a处的正电荷相斥,使A上的正电荷向下端 c、d处集中,c和d间的斥力增加,a随之增大。若物体所带正电荷较多或移得很近时,c和d处的正电荷可能达到或超过原来 A所带的全部正电荷,张角变得更大。这时 a处不带电或带负电。总之,只要物体带正电荷,它移近带正电
荷的静电计时,静电计指针张角将单调增大(如图4所示)。而带电体移去的过程中,静电计指针的角单调减小。
反之,若带电体由远处移近带(正)电的静电计的过程中,静电计指针张角越来
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