Мой самодельный электроскоп
Простейшим индикатором наличия электрического заряда (качественной оценки) является электроскоп (англ. electroscope) — первый электрический измерительный прибор.
Для количественной оценки заряда используется электрометр (англ. electrometer).
Разновидности электроскопов
pith-ball electroscope (double straw electroscope) — шаровой электроскоп
современный шаровой электроскоп
Изобретен в 1754 году британским физиком Джоном Кантоном (J. Canton).
Состоит из шарика из диэлектрика (например, из пластика, а раньше — из бузины — (pith-ball — бузиновый шарик)), подвешенного на шелковой нити. При расположении вблизи шарика заряженного тела он притягивается к нему.
Это происходит из-за явления поляризации диэлектрика.
gold-leaf electroscope — лепестковый электроскоп
Содержит два листочка фольги (англ. foil leaves) (часто из золота — gold), соединенных с терминалом (англ. cap).
При соприкосновении терминала электроскопа с заряженным телом (англ. charging by conduction или charging by contact) происходит стекание части заряда через терминал и соединяющий проводник на листочки фольги.
Листочки фольги заряжаются зарядами ОДНОГО знака и согласно закону Кулона ОТТАЛКИВАЮТСЯ друг от друга, располагаясь в виде буквы «V«.
Также возможен заряд электроскопа посредством электростатической индукции (англ. charging by Induction).
Явление электростатической индукции заключается в перераспределении зарядов на поверхности проводника или поляризации диэлектрика под действием стороннего электрического поля $E_<ст>$. При этом проводник или диэлектрик приобретают дипольный момент $p$.
При расположении заряженного тела вблизи терминала электроскопа он заряжается зарядом, по знаку противоположному заряду заряженного (влияющего) тела, а листочки — зарядами того же знака.
Изобретен в 1787 году британским физиком Абрахамом Беннетом (англ. Abraham Bennet). На медную пластинку, к которой прикреплены золотые листочки, он помещал кучку мела в порошке. Если подуть на этот порошок, то порошок приходит в движение, а трение его частиц вызывает электризацию и расхождение листочков электроскопа:
В энциклопедии Брокгауза и Ефрона утверждается, что электроскоп изобрел Вольта:
Разновидностью лепесткового электроскопа является электроскоп Кольбе (изобретатель — Бруно Юльевич Кольбе):
Мой самодельный электроскоп
Как же самому в домашних условиях сделать электроскоп?
Мой электроскоп я изготовил из:
стеклянной банки (1),
пластиковой крышки (2),
двух листочков фольги (3),
отрезков проводов витой пары (4),
винта с гайками (5):
Для проверки работы электроскопа я подключил его к выходу самодельного источника высокого напряжения:
При включении источника листочки фольги разошлись в стороны:
Видео эксперимента на YouTube:
https://youtu.be/RZRnhTi4lDk
Чем выше напряжение на выходе высоковольтного источника, тем больше угол расхождения листочков фольги.
Я провел опыты с напряжением от 3 до 6 кВ:
Результаты эксперимента:
3 кВ — 33°, 4,5 кВ — 41°, 6 кВ — 48°.
Если выполнить регрессионный анализ (с помощью http://www.xuru.org/rt/lr.asp), то получается следующая линейная зависимость (с коэффициентом корреляции $r=0,9993$, связывающая угол между лепестками электроскопа $\phi$ (в градусах) и напряжение высоковольтного источника $U$ (в кВ):
$$\phi = 5 U + 18,2 $$
В статье «Demonstration experiments in electrostatics: low cost devices» бразильских авторов Alessio Ganci и Salvatore Ganci в качестве источников заряда для электроскопа предложены:
- пьезозажигалка;
- электрофор;
- «игрушечный» генератор Ван-де-Граафа «Fun Fly Stick«
Для увеличения емкости электроскопа можно подключить к терминалу провод, свернутый в виде «улитки», или металлическую пластинку.
В энциклопедии Брокгауза и Ефрона дается совет о подключении конденсатора:
Я разместил на верху винта электроскопа алюминиевый диск, образующий терминал электроскопа:
Для наблюдении эффекта электростатической индукции я использовал эбонитовую палочку (эбонит — высоковулканизированный каучук с большим содержанием серы):
Для сообщения палочке электрического заряда я использовал трибоэлектрический эффект — появление электрических зарядов в материале из-за трения (одно из проявлений контактной электризации).
Материалы, проявляющие трибоэлектрический эффект, располагаются в трибоэлектрическом ряду (triboelectric sequence), один конец которого является положительным , а другой — отрицательным . При трении пары материалов зарядится положительно материал, расположенный ближе к положительному концу ряда (другой материал зарядится отрицательно):
Asbestos — асбест
Fur (rabbit) — мех кролика
Glass — стекло
Mica — слюда
Wool — шерсть
Quartz — кварц
Fur (cat) — мех кошки
Lead — свинец
Silk — шелк
Human hair — человеческие волосы
Cotton — хлопок
Wood — дерево
Amber — янтарь
Copper, brass — медь, латунь
Rubber — резина
Sulfur — сера
Celluloid — целлулоид
India rubber — натуральный каучук
Первый трибоэлектрический ряд был опубликован шведским физиком Иоганном Вильке в 1757 году.
Ряд Фарадея: (+) мех, фланель, слоновая кость, перья, горный хрусталь, флинтглас, бумажная ткань, шелк, дерево, металлы, сера (—).
Обычно положительно заряжаются материалы с большей диэлектрической проницаемостью (являются донорами электронов) (правило Коэна) . Но известен парадокс — трибоэлектрическое кольцо — в паре «шёлк-стекло» стекло заряжается отрицательно, а в паре «стекло-цинк» отрицательно заряжается цинк, но в паре «цинк-шёлк» отрицательно заряжается шёлк.
Я зарядил эбонитовую палочку, натерев ее о волосы. При приближении заряженной палочки к терминалу электроскопа лепестки электроскопа расходятся:
Опыты, демонстрирующие знаки зарядов при электростатической индукции
Если к терминалу положительно заряженного электроскопа поднести отрицательно заряженную эбонитовую палочку, то из-за индукции суммарный положительный заряд лепестков уменьшится и они сблизятся
Если к терминалу отрицательно заряженного электроскопа поднести отрицательно заряженную эбонитовую палочку, то из-за индукции суммарный отрицательный заряд лепестков увеличится и они разойдутся
Опыт3
1 — натертую о волосы (шерсть) и приобревшую при этом отрицательный заряд эбонитовую палочку подносим к терминалу электроскопа — терминал из-за явления электростатической индукции приобретает положительный заряд, а лепестки заряжаются отрицательно и расходятся в стороны (электроскоп поляризуется)
2 — не убирая эбонитовую палочку, пальцем быстро касаемся терминала — отрицательный заряд лепесков стекает с них на тело человека, лепестки сближаются
3 — удаляем палочку и заряженные лепестки расходятся в стороны, так как на них попадает положительный заряд с терминала
4 — при приближении отрицательно заряженной палочки положительно заряженные лепестки сближаются, так как на них индуцируется отрицательный заряд
Также для сообщения электроскопу заряда я использовал бытовую пьезозажигалку:
При отключении источника питания от электроскопа происходит постепенное «стекание» заряда с электроскопа (посредством ионов воздуха) и лепестки медленно сближаются.
При заземлении отключенного от питания электроскопа происходит практически мгновенный разряд электроскопа.
Для уменьшения влажности воздуха можно поместить внутрь электроскопа предварительно прокаленные (например, на сковородке) гранулы силикагеля или алюмогеля.
jcalvert/phys/elechome.htm) рекомендует ставить электроскоп на заземленную проводящую поверхность (или держать его в руках) либо покрывать нижнюю часть электроскопа проводящим материалом. При этом электроскоп представляет собой конденсатор, причем один электрод — это лепестки, а второй — нижняя металлическая обкладка. Емкость такого конденсатора можно измерить мультиметром.
В статье «Build an Electroscope» автора Rufus P. Turner в журнале «Popular Electronics» за июль 1955 года приведены примеры опытов с электроскопом:
Rufus P. Turner
Применение электроскопа
Обнаружение статического электричества
В статье «Build an Electroscope» журнала «Popular Electronics» за июль 1955 года указывается, что электроскопы иногда используются в промышленности для обнаружения статических зарядов на бумаге, фотопленке, одежде, листах пластика и т.д., с помощью них проверяют операционные и бензовозы.
Электроскопы использовались для определения электрического состояния атмосферы.
Электроскоп может быть использован для приближенной оценки уровня ионизирующей радиации по скорости схождения листочков (стекания заряда) предварительно заряженного электроскопа (дозиметрический электроскоп — англ. radioscope).
$\gamma$
Гамма-излучение ионизирует воздух:
Воздух начинает проводить электричество и заряд «стекает».
$\beta$
Бета-излучение (высокоэнергетические электроны) заставляют листочки терять положительный заряд.
$\alpha$
Альфа-частицы не проходят через стекло.
Поиск радиоактивных руд
При поисках урановых руд электроскопы использовали для оценки радиоактивности найденных образцов.
Австрийский исследователь Виктор Гесс (Victor Hess) в 1911-1913 годах использовал электроскоп Вульфа для оценки уровня ионизирующей радиации в атмосфере (поднимаясь на аэростате) и зафиксировал рост интенсивности ионизации при увеличении высоты подъема (причиной являются космические лучи).
Упр.1188 ГДЗ Лукашик 7-9 класс по физике (Физика)
©Reshak.ru — сборник решебников для учеников старших классов. Здесь можно найти решебники, ГДЗ, переводы текстов по школьной программе. Практически весь материал, собранный на сайте — авторский с подробными пояснениями профильными специалистами. Вы сможете скачать гдз, решебники, улучшить школьные оценки, повысить знания, получить намного больше свободного времени.
Главная задача сайта: помогать школьникам и родителям в решении домашнего задания. Кроме того, весь материал совершенствуется, добавляются новые сборники решений.
ГДЗ Физика 7-9 классы сборник вопросов и задач к учебнику Перышкина автор Марон. Проводники и непроводники электричества. Электрическое поле. Номер №918
Сделайте сами простейший электроскоп. Для этого возьмите бутылку с широким горлышком и пропустите через резиновую пробку гвоздь шляпкой вверх. К нижней части гвоздя приклейте две полоски алюминиевой фольги.
а) Можно ли зарядить электроскоп ненаэлектризованной стеклянной палочкой? Как?
б) Сообщите электроскопу отрицательный заряд.
в) Определите заряд наэлектризованной палочки, не изменяя зарядов на электроскопе и на палочке.
Зарисуйте опыты.
ГДЗ Физика 7-9 классы сборник вопросов и задач к учебнику Перышкина автор Марон. Проводники и непроводники электричества. Электрическое поле. Номер №918
Решение а
Можно. Нужно потереть стержень электроскопа ненаэлектризованной стеклянной палочкой.
Решение б
Нужно стеклянную палочку потереть о шёлк или бумагу, чтобы она приобрела положительный заряд. Затем поднести стеклянную палочку к шару электроскопа. К положительному заряду палочки будут притягиваться отрицательные заряды с шара, куда они будут стекаться со стрелки электрометра. В результате шар электрометра будет заряжаться отрицательно, а листочки − положительно. Если быстро коснуться пальцем шара, то положительный заряд уйдет, а листочки останутся заряженно отрицательно. Если убрать от шара заряженное тело, то отрицательный заряд равномерно распределится по всему электроскопу. 
Решение в
К электроскопу нужно поднести заряженное тело, знак заряда которого известен. Тогда если листочки опустятся, заряды различны, если разойдутся − одного знака. Затем подносим палочку неизвестного заряда к шару электроскопа. Если палочка заряжена одноименно, угол отклонения листков электроскопа от вертикали увеличится, если знак различен, то листочки опустятся. 
§ 8. Электризация через влияние.
«Электризация трением» не является единственным способом отделения электронов от положительных ионов. Мы рассмотрим в этом и следующем параграфах два других метода разделения зарядов и получения на телах заряда того или иного знака.
Повторим снова опыт зарядки электроскопа, описанный в § 1, и будем внимательно следить за тем, в какой именно момент листки электроскопа начинают расходиться. Мы увидим, что это происходит еще до того, как заряженное тело коснется стержня прибора. Это показывает, что проводник заряжается не только при контакте с заряженным телом, но и в том случае, когда оно находится на некотором расстоянии. Исследуем подробнее это явление.
Подвесим на изолированном проводнике легкие листки бумаги (рис. 14). Если вначале проводник не заряжен, листки будут в неотклоненном положении. Приблизим теперь к проводнику изолированный металлический шар, сильно заряженный, например, при помощи стеклянной палочки. Мы увидим, что листки, подвешенные у концов тела, в точках и , отклоняются, хотя заряженное тело и не касается проводника. Проводник зарядился через влияние, отчего и само явление получило название «электризация через влияние» или «электрическая индукция». Заряды, полученные посредством электрической индукции, называют наведенными или индуцированными. Листки, подвешенные у середины тела, в точках и , не отклоняются. Значит, индуцированные заряды возникают только на концах тела, а середина его остается нейтральной, или незаряженной. Поднося к листкам, подвешенным в точках и , наэлектризованную стеклянную палочку, легко убедиться, что листки в точке от нее отталкиваются, а листки в точке притягиваются. Это значит, что на удаленном конце проводника возникает заряд того же знака, что и на шаре, а на близлежащих частях возникают заряды другого знака. Удалив заряженный шар, мы увидим, что листки опустятся. Явление протекает совершенно аналогичным образом, если повторить опыт, зарядив шар отрицательно (например, при помощи сургуча).
Рис. 14. При приближении заряженного шара листки в точках и отклоняются, что указывает на появление зарядов в этих точках проводника. Листки в точках и не отклоняются, следовательно, заряда в этих точках нет
С точки зрения электронной теории эти явления легко объясняются существованием в проводнике свободных электронов. При поднесении к проводнику положительного заряда электроны к нему притягиваются и накапливаются на ближайшем конце проводника. На нем оказывается некоторое число «избыточных» электронов, и эта часть проводника заряжается отрицательно. На удаленном конце образуется недостаток электронов и, следовательно, избыток положительных ионов: здесь появляется положительный заряд.
При поднесении к проводнику отрицательно заряженного тела электроны накапливаются на удаленном конце, а на ближнем конце получается избыток положительных ионов. После удаления заряда, вызывающего перемещение электронов, они вновь распределяются по проводнику, так что все участки его оказываются по-прежнему незаряженными.
Перемещение зарядов по проводнику и их накопление на концах его будут продолжаться до тех пор, пока воздействие избыточных зарядов, образовавшихся на концах проводника, не уравновесит те исходящие из шара электрические силы, под влиянием которых происходит перераспределение электронов. Отсутствие заряда у середины тела показывает, что здесь уравновешены силы, исходящие из шара, и силы, с которыми действуют на свободные электроны избыточные заряды, накопившиеся у концов проводника.
Индуцированные заряды можно обособить на соответствующих частях проводника, если в присутствии заряженного тела разделить проводник на части. Такой опыт изображен на рис. 15. В этом случае сместившиеся электроны уже не могут вернуться обратно после удаления заряженного шара, так как между обеими частями проводника находится диэлектрик (воздух). Избыточные электроны распределяются по всей левой части; недостаток электронов в точке частично пополняется из области точки , так что каждая часть проводника оказывается заряженной: левая – зарядом, по знаку противоположным заряду шара, правая – зарядом, одноименным с зарядом шара. Расходятся не только листки в точках и , но и остававшиеся прежде неподвижными листки в точках и .
Рис. 15. Листки в точках остаются отклоненными и после удаления заряженного шара
Этим обстоятельством часто пользуются на практике для зарядки проводников. Для того чтобы этим способом зарядить электроскоп, мы можем приблизить к нему заряженную палочку сургуча (несущую отрицательный заряд) и коснуться стержня электроскопа пальцем. При этом некоторое число электронов под влиянием отталкивания от сургуча уйдет через наше тело в землю, а на стержне и на листках электроскопа образуется некоторый недостаток электронов. Если теперь, предварительно отняв палец, убрать сургучную палочку, электроскоп окажется заряженным и притом положительным зарядом (рис. 16). В этом опыте роль второй части проводника играет наше тело, соединенное с землей.
Рис. 16. Различные стадии зарядки тела через влияние: а) приближая к шарику электроскопа отрицательно заряженный сургуч, мы вызываем на стержне электроскопа положительный заряд, а на его листках – отрицательный заряд; б) не убирая сургуча с отрицательным зарядом, прикасаемся рукой к шарику электроскопа и отводим часть отрицательного заряда электроскопа через свое тело в землю; листки электроскопа спадают; в) убрав палец, а затем убрав сургуч, мы оставляем на электроскопе только положительный заряд, который распределяется между шариком и листками электроскопа
Отметим, что, пользуясь явлением индукции, можно определить знак заряда электроскопа. Приблизим к электроскопу тело с зарядом известного знака, например стеклянную палочку. Нетрудно сообразить, каков знак заряда электроскопа, наблюдая, увеличивается или уменьшается при этом отклонение листков (рис. 17).
Рис. 17. Определение знака неизвестного заряда. При приближении одноименного заряда листки электроскопа отклоняются еще более; при приближении разноименного заряда они спадают
8.1. Объясните способ определения знака заряда электроскопа, изображенный на рис. 17.
8.2. Электроскоп заряжается через влияние при помощи стеклянной палочки. Как будут перемещаться при этом электроны?
8.3. К шарику заряженного электроскопа подносят, не касаясь его, незаряженное металлическое тело. Как изменится отклонение листков? Объясните это явление.
8.4. К положительно заряженному электроскопу подносят тело, заряженное отрицательно. По мере приближения тела отклонение листков электроскопа постепенно уменьшается и спадает до нуля. При дальнейшем приближении тела, однако, отклонение вновь появляется. Что при этом происходит?
8.5. При поднесении руки к заряженному грузику, подвешенному на шелковой нити, он притягивается к руке. Почему это происходит?