静电计的工作原理及使用分析Word下载.docx
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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越小或者先逐渐减小至闭合继而张开,则此物体所带电荷与静电计原来所带电荷是异种电荷(负电荷)。
因为带负电荷的物体移近时,与正电荷相吸引,使A上的正电荷由
c和d处向
a处转移。
c和d处的正电荷少了,静电计指针张角也就小了。
若物体所带负电荷较多或移得较近,则可能使全部正电荷集中在a处,c和d处没有电荷,指针闭合。
带电体再移近,则a处正电荷超过原来A上的全部正电荷,c和d处带负电,指针重新张开(如图5所示)。
带电体移去的过程中,指针逐渐闭合继而逐渐张开。
若物体带负电荷较少或较远,则向带正电的静电计移近时,指针张角单调减小。
当物体带电较多时,只要注意不过分接近静电计,避免静电计与带电物体间放电,则用感应法检验电荷正负,物体上的电荷没有损失,可以重复验证,得出准确的结果。
有人用“接触法”检验物体带电的正和负。
具体做法也是先使静电计中心杆A带上已知种类的电荷(如正电荷),静电计指针张开一个中等角度。
将待检验的带电物体接触a,苦指针张角变大,就认为物体与静电计带同种电荷(正电荷);
若指针张角变小或闭合,则认为物体与静电计带异种电荷(负电荷)。
这种检验电荷正、负的方法是不可靠的。
当物体与静电计带同种电荷或虽带异种电荷而电量较少时,用“接触法”得到的结论是对的;
当物体带与静电计异种的电荷且电量较大时,“接触法”得出的结论是错误的。
如前所述,带大量异种(负)电荷的物体移近带正电静电计的过程中,静电计指针张角先是变小至闭合,继而又张开,此时c和d处已带负电。
物体与a接触时,a处的正电荷被中和,大量负电荷传至A,指针张角会进一步增大。
如果不注意物体移近过程中静电计指针张角的变化,仅由接触时张角变大而认为物体带正电,就错了。
而且,经“接触法”检验后,物体的带电情况已经因与a接触而变化,不能重复核对。
所以建议舍弃“接触法”、采用“感应法”来检验物体所带电荷的种类。
静电计在上述各实验中作验电器使用时,外壳B接地与不接地都可以。
二、静电计的第二类用途:
作电势差计用。
构成静电计的A和B,是两个互相接近又彼此绝缘的导体。
A和B组成一个电容器,A和B各是电容器的一个极。
用WQ—5A型万用电桥测得一般静电计的电容C0为
9—11pF。
A所带电量
q和
A、
B间电势差U之间的关系是
q=C0U
U大则q大,静电计的指针张角α也就大。
所以,α的大小反映出U的大小。
这就是静电计用来测量电势差的道理。
因为静电计常用来测量电势差,所以又叫电势差计。
为了找到静电计张角α与电势差U之间的实际对应关系,我们作如下实验:
用自耦调压变压器做(输出电压为30KV的)“直流高压电源”,调节自耦调压变压器的输出电压,可以得到0至30KV的任意电压。
用它给静电计加上不同的电压U,再用Q3—V型静电高压表配合DY—5A型电子管电压表,测量所加电压U的值。
每加一个电压,都从正面给静电计拍照,在放大的照片上用量角器测量对应于U的指针张角α,得到若干组数据在表1中列出。
实验中用的甲静电计是一个性能较好的静电计,乙静电计的性能则差一些。
用表1的数据作的a—U图线如图6所示。
又用同样方法测得静电计背面毛玻璃上原有刻度对应的电压值见表2。
大量观测表明,各静电计的指针偏转情况有明显差异,但存在如下共同规律:
1、每一静电计都有使它的指针发生偏转的最低电压值,叫做它的起动电压U0。
电压低于U0时,指针不动;
电压达到U0,它就一下子张开7°
——9°
的初始角α0(表中带*号)。
不带电时指针与竖杆不接触的静电计U0较低(如甲的600V),不带电时指针与竖杆接触的静电计U0较高(如乙的800V)。
当电压由U0徐徐降低时,静电计可以有小于α0的张角。
2、对应于一个电压U,α可能有一些不同值,但相差不超过3°
。
对应于一个α值,如指针已静止在某一位置(除最低点外),欲使指针偏离这一位置常需改变电压100V、甚至200V。
所以,对应于同一个α值,U可能有近400V的差异。
这足见静电计是极不灵敏的。
3、电压超过4500V时,指针与壳之间的放电已很明显。
电压5600V时,有清晰的间断的放电声,电压达到5800V时,有明显连续的放电声。
一般静电实验中电量很小,一有放电现象,电量就被严重消耗。
所以,静电计实际上不能在4500V以上使用。
把静电计的A和B分别与平行板电容器的两个极板连接,则平行板电容器的电压U,也就是静电计中心杆A和外壳B的电势差可以由静电计指针的张角α测出。
给电容器充电后断开电源则电容器与静电计所带的总电量不再变化。
改变电容器两极间的距离d、相对面积S和在两极板间插入与拔出介质板,观察静电计指针张角的变化,就可知道U的变化,进而看出平行板电容器的电容值与d、S和ε的关系。
与A、B相连的是两个导体时,α表示这两个导体间的电势差。
将B接地,A与某导体相连时,静电计指针张角指示出导体与地的电势差。
取地的电势为零,则可直接测得该导体的电势(电位)。
此时,静电计就是一个电位(势)计。
如图8所示,将绝缘小球用导线与中心杆A的a处连接。
当绝缘小球在带电导体表面上移动时,静电计指针张角不变。
这就演示了静电平衡时导体表面是等势面。
静电实验中带电导体的尺寸都不大,作为孤立导体的电容都很小。
由公式C=4πε0R可以求出直径15cm的导体球的电容是8.3pF。
使此导体带电,若用静电计测它的电势,将它与静电计中心杆A连接时,它上面的不少电量已转移至A,它的电势已大大改变。
所以,静电计测得的已不是这个带电导体球原来的电势了。
测电势差时也有类似情况。
中学做演示实验常用的平行板电容器的直径是20cm,两板在空气中相距5cm时的电容是5.6pF(理论值)使平行板电容器带电,若用静电计测它的电势差,将它的两个极板与静电计的A和B连接时,平行板电容器上的相当一部分电量已转移到静电计,平行板电容器两板的电势差已大大改变。
所以,静电计测得的已不是电容器原来的电势差了。
综上所述,静电计在检验物体带电、测量电量、电势和电势差方面有很多用处,是中学静电演示实验的重要仪器。
但因为它不灵敏,在上述测量中它的电容又显得太大,所以它的测量误差很大,仅是一个半定量的测试仪器,有很大的局限性。
静电实验有电压高、电量小的突出特点。
电压高则易漏电,电量小则经不起漏,所以对仪器的绝缘性能要求很高。
当空气湿度大时,绝缘不好常导致实验失败。
静电计的漏电部位有两个:
一是绝缘塞D的漏电;
二是中心杆A的b、c和d三个尖端与B间的漏电。
一般静电计的绝缘塞D是用有机玻璃和硬塑料制成,绝缘性能本是极好的,但常因保管不善,表面有一层污物,在湿度大的时候吸附水分,漏电大增。
为改善静电计的绝缘性能,建议采取两个措施。
第一个措施是用脱脂棉沾酒精把绝缘塞D的表面擦拭干净,晾干后用电烙铁烫化石蜡滴在D的表面成一较厚的石蜡层。
石蜡不仅绝缘性能好而且不吸水,每次使用前用小刀把石蜡刮去一层,除去污物,露出新表面,则D处的漏电就大大减少了。
第二个措施是松开静电计前面的玻璃挡圈,取下透明玻璃;
在空气干燥或烘干的情况下,重新盖好玻璃,加上挡圈;
两面玻璃与金属壳B相接处用电烙铁烫化石蜡封上,使静电计内部的空气是密封和干燥的。
这样处理后,静电计的绝缘性能将大大改善。
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