验电器和静电计是我们经常会遇到的两种测量仪器,它们的原理和区别有哪些呢?今天我们来探讨一下。
一、验电器
验电器是由法国发明家让安东尼诺雷发明的。验电器的构造如上图所示。图中上部是一个金属球,它与金属杆相连接,金属杆穿过绝缘的橡皮塞,下面是两片极薄的金属箔,外面是绝缘的玻璃瓶。
根据同种电荷相互排斥的原理,当待检验的物体靠近金属球时,可能产生静电感应。例如,当带正电的物体靠近不带电的验电器的金属球时,由于静电感应,验电器金属球处感应出负电荷,而金属箔由于带正电而展开一定角度;如果验电器原本带正电,由于静电感应,同种电荷相斥,导致金属球的正电荷减少,金属箔的电荷增多,所以展开角度增大;如果验电器原本带负电,由于异种电荷相吸引,导致金属球电荷增多,金属箔的电荷可能减少,也可能先减小后增大,所以展开角度可能减小,也可能先减小后增大。
如果待检验的物体与金属球接触,如果物体带电,一部分电荷会传到两片金属箔上,由于金属箔带有同种电荷,它们会相互排斥而张开,所带的电荷越多,张开的角度就越大;如果物体不带电,金属箔则不动。通过以上方法,我们可以判定物体的电荷是正的还是负的。
二、静电计
如果将验电器的玻璃罩改为金属盒,从而屏蔽静电,用金属棒和容器引出导线以便测量两点间的电势差,并增加刻度以便对结果进行量化,那么验电器就可以改装成更精确的静电计。
测量电势差的原理是:金属球、金属杆和指针相当于电容器的一个电极,金属外壳相当于另一个电极,它们之间是绝缘的。这样就形成了一个很小的电容器。
当一个电量为Q的已充电平行板电容器连接到静电计上时,指针和金属杆会带正电,而外壳的内表面会感应出负电荷,从而在金属杆和外壳之间形成电场。指针表面的电荷会受到电场力的作用,也就是受到来自杆上同种电荷的排斥力以及金属盒内壁上异种电荷的吸引力,从而使指针偏转。带电量越多,电场强度越大,指针的偏转角度也越大。指针的偏转角度可以定性地反映静电计两极间电势差的大小。
三、一些额外的知识
指针的转动角度与电势差之间不是正比关系,所以静电计的刻度不是均匀的。
静电计的金属罩不接地也不会影响它作为验电器的使用。
再次,静电计与电压表的工作原理不同,所以绝对不能互换使用。