靜電計的工作原理及使用精編版_第1頁
靜電計的工作原理及使用精編版_第2頁
靜電計的工作原理及使用精編版_第3頁
靜電計的工作原理及使用精編版_第4頁
已閱讀5頁,還剩14頁未讀, 繼續(xù)免費閱讀

付費下載

下載本文檔

版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進行舉報或認領(lǐng)

文檔簡介

1、靜電計的工作原理及使用靜電計又叫電勢差計或指針驗電器, 它是中學(xué)靜電實驗中常用的半定量測量儀器。如圖 1 所示,包括小球 a、指針 bc 的中心桿 A用絕緣塞 D 固定在有前后玻璃窗的圓形金屬外殼 B 上;B的側(cè)下方有一個接線柱;整個裝置固定在一個絕緣支架上。當 A 帶電時,電荷主要分布在a、b、c 和 d 四個尖端部位,其中c 和 d兩部分所帶電荷以斥力相作用,指針受到一個使它張開的電力矩L1 的作用。由于指針的重心略在旋轉(zhuǎn)軸O 點之下,當 L1 使指針張開后,指針的重力便產(chǎn)生一個使指針復(fù)位的重力矩 L 2。隨著指針的偏轉(zhuǎn), L 1 漸?。ㄒ驗?c 與 d 的距離增加, 庫侖力變小, 力臂也

2、變?。┒?L2 漸大(因為重力力臂增加) 。當 L1 與 L2 相等時,指針停在某一位置 (是穩(wěn)定平衡) ,指針的張角為 當 A 所帶電量 q 較大時, c 和 d 所帶電量也較大, L1 就大,所以 也就大。由于 q 決定 ,所以 的大小能表示 q 的大小。這就是靜電計可以當作驗電器使用的道理。由于靜電感應(yīng),當 A 帶電后, B 的內(nèi)層一定帶上與 A 異號的電荷。若 B 不接地,則 B 的外表面帶上與 A 同號的電荷。若 B 接地,則 B 的外表面不帶電。 由于靜電計結(jié)構(gòu)的對稱性, 可以祖略地認為 B 上的電荷對1指針的作用力不產(chǎn)生使指針轉(zhuǎn)動的力矩,指針的張角主要由c 和 d 所帶電量決定。

3、一、靜電計的第一類用途:作驗電器用。由于 B 的屏蔽作用,使A 的下部較少受外界電場的影響。而A 的上端a 露在 B 之外,所以,外電場能由 A 的上端施加感應(yīng)。當帶電體移近不帶電的靜電計時,由于靜電感應(yīng), A 的上部 a 處出現(xiàn)與帶電體異號的電荷,而 A 的下端 c 和 d 處出現(xiàn)與 a 等量的、與帶電體同號的電荷。 于是指針就張開了。帶電體所帶電量越多、移得越近,則張角越大。當帶電體移去時,指針又回到原位。 我們可以用這種感應(yīng)法檢驗物體是否帶電、帶電多少及演示靜電感應(yīng)現(xiàn)象。某物體與不帶電的靜電計的 a 處接觸后移去,若此時靜電計指針張開,說明靜電計因與該物體接觸而帶電,從而可以判定這個物體

4、是帶電體。若物體與不帶電靜電計的 a 處接觸后移去,靜電計指針仍閉合,則證明該物體與 a 接觸的部位不帶電。 指針是否張開及張開角度大小能用來判定物體與 a 接觸部位是否帶電及帶電多少。 這種接觸法不能對物體未接觸部位的帶電情況作出判斷, 更不能用來測量整個物體所帶的電量,有很大局限性。為測量電量,應(yīng)把靜電計 a 處的小金屬球換成一個法拉第圓筒(上端有開口的薄壁金屬容器)。把欲測其帶電量的物體放入法拉第圓筒(如圖2)。設(shè)此物體帶電量為 q1。若該物體是導(dǎo)體,則它所帶的電荷在與筒2接觸時全部移到筒外, 進而分布在整個 A 上。若該物體是絕緣體, 它放入法拉第圓筒后, 只有少數(shù)接觸點處的電荷移至筒

5、的外表面。 但由于靜電感應(yīng),圓筒的內(nèi)壁帶上與物體此時所帶電荷等量的異種電荷,而筒的外表面增加了同樣多的與帶電體同號的電荷??傊?,筒的外表面(實際上是整個 A)所帶電量等于物體原來所帶的全部電量 q1。這樣,不論是導(dǎo)體還是絕緣體, 只要把它放入法拉第圓筒, 靜電計的指針張角 就可以用來測量它所帶的電量。加裝法拉第圓筒后, 靜電計就可以用來演示靜電平衡時導(dǎo)體表面電荷分布的規(guī)律了。 如圖 3 所示,帶絕緣柄的金屬小球先后與帶電尖形導(dǎo)體的3、2 和 1 處接觸后,與筒的內(nèi)壁相碰, 將與尖形導(dǎo)體接觸時所帶之電荷移至靜電計 A 上。由靜電計的不同張角可以判斷出凹進的3 處不帶電、2 處帶少量電荷、 而尖端

6、 1 處帶電最多。 這表明靜電平衡時導(dǎo)體表面曲率大處電荷密集,尖端帶電最多。靜電計還可以用來檢驗物體所帶電荷的種類(正或負)。正確的檢驗方法是 “感應(yīng)法 ”。具體辦法是先使靜電計中心桿A 帶上已知種類的電荷。 例如用絲綢摩擦過的玻璃棒接觸 a 球,使 A 帶上正電荷,靜電計指針張開一個中等角度。 若帶電體由遠處向靜電計移近的過程中,靜電計指針張角越來越大,則此物體帶的電荷與靜電計原來所帶的電荷同類(正電荷)。因為帶正電荷的物體移近時,與a 處的正電荷相斥,使 A 上的正電荷向下端c、 d 處集中, c 和 d 間的斥力增加, a隨之增大。若物體所帶正電荷較多或移得很近時,c 和 d 處的正電荷

7、可3能達到或超過原來 A 所帶的全部正電荷, 張角變得更大。 這時 a 處不帶電或帶負電。總之,只要物體帶正電荷,它移近帶正電荷的靜電計時,靜電計指針張角將單調(diào)增大(如圖 4 所示)。而帶電體移去的過程中,靜電計指針的角單調(diào)減小。反之,若帶電體由遠處移近帶(正)電的靜電計的過程中,靜電計指針張角越來越小或者先逐漸減小至閉合繼而張開,則此物體所帶電荷與靜電計原來所帶電荷是異種電荷(負電荷)。因為帶負電荷的物體移近時,與正電荷相吸引,使A 上的正電荷由c 和 d 處向 a 處轉(zhuǎn)移。c 和 d 處的正電荷少了,靜電計指針張角也就小了。若物體所帶負電荷較多或移得較近,則可能使全部正電荷集中在 a 處,

8、 c 和 d 處沒有電荷,指針閉合。帶電體再移近,則 a 處正電荷超過原來 A 上的全部正電荷, c 和 d 處帶負電,指針重新張開(如圖 5 所示)。帶電體移去的過程中,指針逐漸閉合繼而逐漸張開。若物體帶負電荷較少或較遠,則向帶正電的靜電計移近時,指針張角單調(diào)減小。當物體帶電較多時,只要注意不過分接近靜電計,避免靜電計與帶電物體間放電,則用感應(yīng)法檢驗電荷正負,物體上的電荷沒有損失,可以重復(fù)驗證,得出準確的結(jié)果。4有人用 “接觸法 ”檢驗物體帶電的正和負。具體做法也是先使靜電計中心桿 A 帶上已知種類的電荷 (如正電荷),靜電計指針張開一個中等角度。將待檢驗的帶電物體接觸 a,苦指針張角變大,

9、就認為物體與靜電計帶同種電荷(正電荷);若指針張角變小或閉合,則認為物體與靜電計帶異種電荷(負電荷)。這種檢驗電荷正、負的方法是不可靠的。當物體與靜電計帶同種電荷或雖帶異種電荷而電量較少時,用“接觸法 ”得到的結(jié)論是對的;當物體帶與靜電計異種的電荷且電量較大時, “接觸法 ”得出的結(jié)論是錯誤的。如前所述,帶大量異種(負)電荷的物體移近帶正電靜電計的過程中,靜電計指針張角先是變小至閉合,繼而又張開,此時 c 和 d 處已帶負電。物體與 a 接觸時, a 處的正電荷被中和,大量負電荷傳至 A,指針張角會進一步增大。如果不注意物體移近過程中靜電計指針張角的變化,僅由接觸時張角變大而認為物體帶正電,就

10、錯了。而且,經(jīng) “接觸法 ”檢驗后,物體的帶電情況已經(jīng)因與 a 接觸而變化,不能重復(fù)核對。所以建議舍棄 “接觸法 ”、采用 “感應(yīng)法 ”來檢驗物體所帶電荷的種類。靜電計在上述各實驗中作驗電器使用時,外殼B 接地與不接地都可以。二、靜電計的第二類用途:作電勢差計用。構(gòu)成靜電計的 A 和 B,是兩個互相接近又彼此絕緣的導(dǎo)體。 A 和 B 組成一個電容器, A 和 B 各是電容器的一個極。用 WQ 5 A 型萬用電橋測得一般靜電計的電容 C0 為 911pF。 A 所帶電量 q 和 A 、 B 間電勢差 U 之間的關(guān)系是5q C0UU 大則 q 大,靜電計的指針張角 也就大。所以, 的大小反映出 U

11、 的大小。這就是靜電計用來測量電勢差的道理。 因為靜電計常用來測量電勢差,所以又叫電勢差計。為了找到靜電計張角與電勢差 U 之間的實際對應(yīng)關(guān)系, 我們作如下實驗:用自耦調(diào)壓變壓器做(輸出電壓為30KV 的) “直流高壓電源 ”,調(diào)節(jié)自耦調(diào)壓變壓器的輸出電壓,可以得到0 至 30KV 的任意電壓。用它給靜電計加上不同的電壓U,再用 Q3V 型靜電高壓表配合DY 5 A型電子管電壓表, 測量所加電壓U 的值。每加一個電壓, 都從正面給靜電計拍照,在放大的照片上用量角器測量對應(yīng)于U 的指針張角 ,得到若干組數(shù)據(jù)在表 1 中列出。實驗中用的甲靜電計是一個性能較好的靜電計,乙靜電計的性能則差一些。用表

12、1 的數(shù)據(jù)作的 aU 圖線如圖 6 所示。又用同樣方法測得靜電計背面毛玻璃上原有刻度對應(yīng)的電壓值見表 2。6大量觀測表明,各靜電計的指針偏轉(zhuǎn)情況有明顯差異, 但存在如下共同規(guī)律:1、每一靜電計都有使它的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)的最低電壓值,叫做它的起動電壓 U0。電壓低于 U0 時,指針不動;電壓達到 U0,它就一下子張開 7 9的初始角 0(表中帶 * 號)。不帶電時指針與豎桿不接觸的靜電計 U0 較低(如甲的 600V),不帶電時指針與豎桿接觸的靜電計 U0 較高(如乙的 800V )。當電壓由 U0 徐徐降低時,靜電計可以有小于 0 的張角。2、對應(yīng)于一個電壓 U, 可能有一些不同值,但相差不超過

13、3。對應(yīng)于一個 值,如指針已靜止在某一位置(除最低點外),欲使指針偏離這一位置常需改變電壓 100V 、甚至 200V 。所以,對應(yīng)于同一個 值, U 可能有近 400V 的差異。這足見靜電計是極不靈敏的。3、電壓超過 4500V 時,指針與殼之間的放電已很明顯。 電壓 5600V 時,有清晰的間斷的放電聲, 電壓達到 5800V 時,有明顯連續(xù)的放電聲。 一7般靜電實驗中電量很小,一有放電現(xiàn)象,電量就被嚴重消耗。所以,靜電計實際上不能在 4500V 以上使用。把靜電計的 A 和 B 分別與平行板電容器的兩個極板連接,則平行板電容器的電壓 U,也就是靜電計中心桿 A 和外殼 B 的電勢差可以由

14、靜電計指針的張角 測出。給電容器充電后斷開電源則電容器與靜電計所帶的總電量不再變化。改變電容器兩極間的距離 d、相對面積 S 和在兩極板間插入與拔出介質(zhì)板, 觀察靜電計指針張角的變化, 就可知道 U 的變化,進而看出平行板電容器的電容值與 d、S 和 的關(guān)系。與 A 、B 相連的是兩個導(dǎo)體時, 表示這兩個導(dǎo)體間的電勢差。將B 接地,A 與某導(dǎo)體相連時,靜電計指針張角指示出導(dǎo)體與地的電勢差。取地的電勢為零,則可直接測得該導(dǎo)體的電勢(電位)。此時,靜電計就是一個電位(勢)計。如圖 8 所示,將絕緣小球用導(dǎo)線與中心桿A 的 a處連接。當絕緣小球在帶電導(dǎo)體表面上移動時,靜電計指針張角不變。這就演示了靜

15、電平衡時導(dǎo)體表面是等勢面。8靜電實驗中帶電導(dǎo)體的尺寸都不大,作為孤立導(dǎo)體的電容都很小。由公式 C 40R 可以求出直徑 15cm 的導(dǎo)體球的電容是 8.3pF。使此導(dǎo)體帶電,若用靜電計測它的電勢, 將它與靜電計中心桿 A 連接時,它上面的不少電量已轉(zhuǎn)移至 A ,它的電勢已大大改變。所以,靜電計測得的已不是這個帶電導(dǎo)體球原來的電勢了。 測電勢差時也有類似情況。 中學(xué)做演示實驗常用的平行板電容器的直徑是20cm,兩板在空氣中相距5cm 時的電容是 56pF(理論值)使平行板電容器帶電,若用靜電計測它的電勢差,將它的兩個極板與靜電計的A 和 B 連接時,平行板電容器上的相當一部分電量已轉(zhuǎn)移到靜電計,

16、平行板電容器兩板的電勢差已大大改變。所以,靜電計測得的已不是電容器原來的電勢差了。綜上所述,靜電計在檢驗物體帶電、測量電量、電勢和電勢差方面有很多用處,是中學(xué)靜電演示實驗的重要儀器。但因為它不靈敏,在上述測量中它的電容又顯得太大,所以它的測量誤差很大,僅是一個半定量的測試儀器,有很大的局限性。靜電實驗有電壓高、 電量小的突出特點。電壓高則易漏電,電量小則經(jīng)不起漏,所以對儀器的絕緣性能要求很高。當空氣濕度大時,絕緣不好常導(dǎo)致實驗失敗。靜電計的漏電部位有兩個:一是絕緣塞 D 的漏電;二是中心桿 A 的 b、c 和 d 三個尖端與 B 間的漏電。一般靜電計的絕緣塞 D 是用有機玻璃和硬塑料制成, 絕緣性能本是極好的, 但常因保管不善,表面有一層污物,在濕度大的時候吸附水分,漏電大增。

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負責(zé)。
  • 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準確性、安全性和完整性, 同時也不承擔用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

最新文檔

評論

0/150

提交評論