Электроскоп

На прошлом уроке мы изучили электризацию тел при соприкосновении и выяснили, что электрический заряд может передаваться от одного тела к другому. Также мы узнали, что существуют два рода электрического заряда: положительный и отрицательный. Тела, имеющие заряды одного знака, отталкиваются, а тела с зарядами разных знаков притягиваются (рисунок 1).

Рассмотрим опыт с металлической гильзой. Прикоснемся к ней отрицательно заряженной эбонитовой палочкой (рисунок 2, а). После этого гильза и палочка будут отталкиваться. Значит, гильза получила отрицательный заряд.

Теперь поднесем к уже заряженной гильзе стеклянную палочку, наэлектризованную трением о шелк. Такая палочка заряжена положительно. Мы увидим, что гильза будет притягиваться к ней (рисунок 2, б). Это подтверждает, что гильза получила отрицательный заряд.

Таким образом, по взаимодействию тел можно обнаружить электрический заряд. Определить его знак можно, если знак заряда второго тела уже известен. Но для этого нам приходится использовать другое заряженное тело. Возникает вопрос: как обнаружить электрический заряд, если рядом нет заранее заряженного тела?

Для этого используют специальный прибор — электроскоп. С его помощью можно обнаружить электрический заряд и приблизительно определить его величину. 

На данном уроке мы изучим устройство и принцип действия электроскопа, рассмотрим способы обнаружения электрического заряда и определения его знака, выясним, от чего зависит расхождение листочков электроскопа, а также познакомимся с электрометром, проводниками и диэлектриками.

Устройство электроскопа

Простейший электроскоп

Чтобы понять, как действует электроскоп, сначала рассмотрим его самую простую модель.

Простейший электроскоп можно изготовить из стеклянной банки, пробки, металлического стержня и двух очень легких листочков (рисунок 3). В пробке закрепляем металлический стержень. Его верхний конец будет находиться снаружи банки, а нижний — внутри. К нижнему концу прикрепляем два листочка из бумаги или фольги.

Стеклянная банка защищает листочки от потоков воздуха, поэтому можно наблюдать за их движением. Пробка удерживает металлический стержень. Пробка и стекло плохо проводят электрический заряд, поэтому заряд не уходит быстро со стержня к окружающим предметам.

Если прикоснуться к верхнему концу стержня заряженным телом, заряд передастся стержню и листочкам. Листочки получат заряд одного знака и поэтому начнут отталкиваться друг от друга. По их расхождению можно обнаружить электрический заряд. 

Причина расхождения листочков связана с известным нам свойством электрических зарядов: одноименно заряженные тела отталкиваются. Именно это свойство лежит в основе действия электроскопа.

Школьный электроскоп

Для проведения опытов используют более удобную конструкцию — школьный электроскоп.

В этом случае металлический стержень имеет сверху металлический шар или диск (рисунок 4). К нему можно подносить заряженное тело или прикасаться им к прибору. Нижняя часть стержня с прикрепленными к ней листочками находится внутри защитного корпуса с прозрачными стенками. Под листочками расположена шкала, по которой можно приблизительно оценить угол их расхождения.

В остальном принцип действия школьного электроскопа такой же, как у простейшей модели: при получении заряда листочки получают заряд одного знака и отталкиваются друг от друга. 

{"questions":[{"content":"Электроскоп — это прибор для [[fill_choice_big-79]].","widgets":{"fill_choice_big-79":{"type":"fill_choice_big","options":["обнаружения электрического заряда и приблизительной оценки его величины","измерения температуры","получения электрического заряда","точного измерения величины электрического заряда"],"answer":0}}}]}

Обнаружение электрического заряда

Теперь рассмотрим, как с помощью электроскопа проверить, имеет ли тело электрический заряд.

Сначала убедимся, что электроскоп не заряжен: его листочки находятся рядом друг с другом. 

Прикоснемся к металлическому шару отрицательно заряженной эбонитовой палочкой (рисунок 5). Часть электрического заряда перейдет на электроскоп и распределится по металлическому стержню и листочкам. Оба листочка получают отрицательный заряд, то есть заряд одного знака. 

Одноименно заряженные листочки отталкиваются друг от друга, поэтому они разойдутся. 

Значит, если после прикосновения к электроскопу его листочки разошлись, мы можем сделать вывод, что палочка действительно была заряжена.

Повторим опыт, но используем положительно заряженную стеклянную палочку (рисунок 6). После прикосновения к шару незаряженного электроскопа листочки также разойдутся. В этом случае они получают положительный заряд и отталкиваются друг от друга. 

Получается, что по расхождению листочков можно обнаружить электрический заряд, но нельзя определить его знак. Для определения знака нужен другой опыт. 

{"questions":[{"content":"Если после прикосновения заряженной палочки к электроскопу его листочки разошлись, можно сделать вывод, что палочка [[fill_choice_big-80]].","widgets":{"fill_choice_big-80":{"type":"fill_choice_big","options":["была заряженной","была незаряженной","имела положительный заряд","имела отрицательный заряд"],"answer":0}}}]}

Определение знака электрического заряда

С помощью электроскопа можно определить знак неизвестного заряда. Для этого сначала сообщим электроскопу заряд известного знака.

Например, прикоснемся к его металлическому шару положительно заряженной стеклянной палочкой (рисунок 7). Теперь электроскоп заряжен положительно, а его листочки разошлись. Затем поднесем к шару отрицательно заряженную эбонитовую палочку, не касаясь шара. В металле могут перемещаться свободные электроны — отрицательно заряженные частицы. Палочка отталкивает их от шара к листочкам. Положительный заряд листочков уменьшается, поэтому они начинают сходиться.  

Если вместо эбонитовой палочки поднести к шару положительно заряженную палочку, она притянет электроны от листочков к шару. Положительный заряд листочков увеличится, поэтому они разойдутся сильнее (рисунок 8).

Так, сравнивая изменение расхождения листочков с их первоначальным положением, можно определить знак неизвестного заряда. 

Сравнивают первое изменение при приближении тела. Если знаки зарядов электроскопа и тела одинаковы, расхождение листочков увеличивается. Если знаки разные, расхождение уменьшается.

Обратите внимание, что во второй части опыта мы не прикасаемся палочкой к шарику. Если коснуться шарика заряженным телом, заряд перейдет на электроскоп, и мы уже не сможем провести такое сравнение. 

{"questions":[{"content":"Если знаки зарядов электроскопа и подносимого к нему тела одинаковы, то при начальном приближении тела расхождение листочков [[fill_choice_big-81]].","widgets":{"fill_choice_big-81":{"type":"fill_choice_big","options":["увеличивается","уменьшается","не изменяется","исчезает"],"answer":0}}}]}

Величина заряда

По расхождению листочков можно приблизительно судить и о величине электрического заряда.

Чем больше заряд электроскопа, тем сильнее отталкиваются его листочки и тем больше угол их расхождения.

Если сообщать одному и тому же электроскопу заряды одного знака, то при большем заряде листочки разойдутся сильнее. Такое сравнение верно для одного прибора при одинаковых условиях.

При этом электроскоп не является точным измерительным прибором: с его помощью нельзя непосредственно измерить заряд в кулонах. Он служит для обнаружения электрического заряда и приблизительной оценки его величины. 

{"questions":[{"content":"Чем больше заряд электроскопа, тем [[fill_choice_big-82]].","widgets":{"fill_choice_big-82":{"type":"fill_choice_big","options":["больше угол расхождения листочков","меньше угол расхождения листочков","меньше масса листочков","меньше длина стержня"],"answer":0}}}]}

Электрометр

Свойство одноименно заряженных тел отталкиваться используется и в конструкции электрометра (рисунок 9). В его устройстве вместо двух листочков имеется легкая подвижная стрелка.

Прикоснемся к шару электрометра заряженной палочкой. Заряд передается шару, стержню и стрелке. Стрелка и стержень получают заряд одного знака. Поэтому стрелка отталкивается от стержня и поворачивается на некоторый угол (рисунок 10). 

Чем больше заряд, сообщенный электрометру, тем на больший угол отклоняется стрелка. Поэтому по отклонению стрелки можно обнаружить наличие электрического заряда, а по величине угла — приблизительно судить о его величине. 

{"questions":[{"content":"Чем больше заряд, сообщенный электрометру, тем [[fill_choice_big-83]].","widgets":{"fill_choice_big-83":{"type":"fill_choice_big","options":["больше угол отклонения стрелки","меньше угол отклонения стрелки","больше длина стержня","меньше температура прибора"],"answer":0}}}]}

Разрядка электроскопа и электрометра

После проведения опыта заряд с электроскопа (или электрометра) можно удалить. Для этого достаточно коснуться рукой его металлического шара.

При обычных опытах со школьными приборами это безопасно, так как заряд прибора мал. Прикосновение рукой создает проводящий путь между электроскопом и Землей. Если электроскоп заряжен отрицательно, лишние электроны уходят в Землю. Если он заряжен положительно, электроны переходят из Земли на прибор. В обоих случаях заряд электроскопа уменьшается, отталкивание листочков ослабевает, и они сходятся.

При разрядке электрометра его стрелка возвращается к первоначальному положению, показывая отсутствие заряда.

{"questions":[{"content":"Чтобы разрядить электроскоп, достаточно [[fill_choice_big-84]].","widgets":{"fill_choice_big-84":{"type":"fill_choice_big","options":["коснуться рукой его металлического шара","встряхнуть прибор","поднести к нему заряженную палочку","накрыть его стеклянным корпусом"],"answer":0}}}]}

Проводники и диэлектрики

В рассмотренных опытах мы использовали разные материалы. Легко было заметить, что они ведут себя по-разному. Металлические части электроскопа проводят электрический заряд: заряд может передаваться по металлическому стержню к листочкам. В то же время стеклянная банка и пробка не позволяют заряду свободно проходить от металлических частей прибора к окружающим предметам.

Это различие связано со свойствами веществ. Вещества, в которых электрические заряды могут свободно перемещаться, называют проводниками. К ним относятся металлы, растворы солей, кислот и щелочей, графит и некоторые другие вещества (рисунок 11).

Вещества, в которых электрические заряды не могут свободно перемещаться, называют диэлектриками (изоляторами). К ним относятся стекло, резина, эбонит, пластмассы и многие другие вещества.

При этом диэлектрик может получить электрический заряд. Например, эбонитовая палочка после трения о шерсть становится заряженной. При трении палочка получает заряд, но этот заряд не может свободно перемещаться по всей палочке, как по металлическому проводнику. Именно поэтому диэлектрики используют для изоляции заряженных тел и отдельных частей электрических приборов. 

Различие между проводниками и диэлектриками важно и для устройства электроскопа. Его металлические части должны проводить электрический заряд, а изолирующие части препятствуют его переходу к корпусу и окружающим предметам.

Более подробно свойства проводников и диэлектриков и их поведение в электрических явлениях мы рассмотрим на отдельном уроке.

{"questions":[{"content":"Диэлектрики также называют [[fill_choice_big-85]].","widgets":{"fill_choice_big-85":{"type":"fill_choice_big","options":["изоляторами","проводниками","полупроводниками","электрическими накопителями"],"answer":0}}}]}

Электрическое взаимодействие на расстоянии

Мы увидели, что заряженное тело может действовать на электроскоп, даже не соприкасаясь с ним. Значит, электрическое взаимодействие возможно и на расстоянии. 

Возникает вопрос: каким образом заряженное тело может действовать на другое тело, находящееся на некотором расстоянии? Для описания такого взаимодействия в физике используют понятие электрического поля. С его изучения начнется наш следующий урок.

Упражнение

Два легких металлических шарика, заряженных положительно, подвешены на одинаковых шелковых нитях в одной точке (рисунок 12). Что произойдет и почему, если прикоснуться рукой к одному из шариков?

Посмотреть ответ

Скрыть

Ответ:

Изначально оба шарика заряжены положительно, поэтому они отталкиваются. При прикосновении рукой один шарик соединяется с Землей. Положительно заряженный второй шарик притягивает электроны из Земли на первый шарик. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому шарики начинают притягиваться и сближаются (рисунок 13).

Если убрать руку, пока второй шарик остается рядом, первый шарик может сохранить отрицательный заряд. Тогда притяжение продолжится.

Часто задаваемые вопросы