Взаимодействие зарядов и условные обозначения Подвешенные стеклянные и эбонитовые стержни показывают, что одинаковые заряды отталкиваются, а непохожие притягиваются. Обычно стекло, натертое шелком или полиэтиленом, заряжается положительно, в то время как эбонит, натертый волосами или шерстью, заряжается отрицательно. Заряды могут перемещаться внутри проводника, но не могут перемещаться направленно в диэлектрике. Эти принципы лежат в основе приборов, которые обнаруживают и измеряют электрический заряд.
Электроскоп: устройство и назначение Электроскоп состоит из металлического стержня, установленного на эбонитовом изоляторе внутри стеклянного корпуса. Сверху находится металлическая сфера (часто с крючком), а с нижнего конца свисают два листка тонкой бумаги или фольги. Прозрачный корпус защищает листья от воздушных потоков, поэтому действуют только электрические силы. Проводимость металлического стержня позволяет перераспределять заряд по устройству.
Электроскоп в действии: Расхождение листьев Прикосновение заряженного стеклянного стержня к сфере передает заряд на электроскоп. Электроны в металле устремляются к контакту, локально нейтрализуя стержень и придавая стеблю и листьям положительный заряд. Листья, заряженные аналогичным образом, отталкиваются и расходятся под углом, который увеличивается с увеличением количества заряда. При удалении источника заряда или разрядке прибора листья снова сближаются.
Электрометр: Количественное измерение Электрометр помещает полую металлическую сферу на металлический стержень, проходящий через полиэтиленовый изолятор в металлический корпус. Легкая алюминиевая стрелка, которая сама по себе является проводником, обращена к калиброванной шкале и может свободно поворачиваться. В незаряженном состоянии стрелка находится вертикально. Прочное основание обеспечивает устойчивость прибора для получения повторяемых показаний.
Бесконтактное отклонение с помощью индукции Поднесение положительно заряженного стержня к сфере без контакта приводит к тому, что отрицательный заряд перемещается к вершине и оставляет дефицит ближе к стержню и указателю. Стержень и указатель приобретают одинаковый знак и отталкиваются друг от друга, поэтому указатель отклоняется; удаление стержня восстанавливает нейтральность, и указатель возвращается на место. Даже простая близость позволяет выявить заряд с помощью электростатической индукции.
Зарядка путем контакта и поверхностного распределения Если вставить положительно заряженный стержень в сферу и прикоснуться к нему, то после извлечения стержня в электрометре остается положительный заряд. Недостающий отрицательный заряд распространяется по поверхности сферы, а также вдоль стержня и стрелки. Стрелка устанавливается со стабильным отклонением, угол которого отражает величину заряда. В проводнике заряд находится на поверхности, и подобные части отталкиваются друг от друга.
Определение знака заряда с помощью предварительно заряженного электрометра Чтобы определить неизвестный признак, сначала зарядите электрометр положительным зарядом стеклянного стержня. Находящийся рядом отрицательно заряженный эбонитовый стержень заставляет стрелку опускаться, в то время как положительный стеклянный стержень заставляет ее отклоняться еще больше. При протирании пластиковой линейки бумагой указатель падает, показывая, что линейка заряжена отрицательно. Тест проводится без прикосновения и сохраняет заряд объекта.
Почему указатель перемещается: Внутреннее перераспределение Поведение указателя соответствует перераспределению заряда внутри предварительно заряженного инструмента. Отрицательный объект вблизи сферы притягивает заряд, поэтому верхняя область получает то, что теряет область указателя, ослабляя отталкивание указателя и заставляя его падать. Положительный объект действует противоположным образом, направляя заряд в область указателя и усиливая отталкивание, так что указатель отклоняется еще больше. В металлах электроны являются подвижными носителями заряда, которые обеспечивают такую перегруппировку.
Индукция в двух электрометрах: Равные и противоположные заряды При использовании двух изначально нейтральных электрометров, соединенных проводником, подведение положительно заряженного стержня к одному из них приводит к разделению заряда на обоих. При удалении проводника, когда стержень все еще находится рядом, ближайший прибор заряжается отрицательно, а дальний - положительно, что равно по величине и в сумме равно нулю. Приближение к тестовому стержню подтверждает признаки: стрелка прибора с отрицательным значением опускается, а с положительным отклоняется еще больше. Повторное подключение позволяет сбросить избыточный заряд и полностью нейтрализует оба параметра.
Индукция одним прибором с заземлением Один прибор также можно зарядить индукционным способом, используя кратковременный контакт с землей. Поднесите к прибору положительно заряженный стержень, прикоснитесь к нему пальцем, чтобы заряд прошел, затем уберите палец и, наконец, стержень; прибор останется отрицательно заряженным. После извлечения стержня избыточный отрицательный заряд распространяется по проводнику, и стрелка отклоняется. Этот метод электростатической индукции позволяет заряжать многие приборы, не расходуя заряд стержня.
Диагностика головоломки из пластин и сфер Когда отрицательно заряженная эбонитовая пластина поднимается под двумя подвешенными сферами, положительные сферы притягиваются вниз, а отрицательные - вверх. В первом случае обе нити становятся более вертикальными, поэтому обе сферы являются положительными. Второй случай невозможен: сферы изначально отталкиваются, но одна из них притягивается, а другая отталкивается пластиной, что подразумевает противоположные знаки. Третий случай согласуется с противоположными зарядами, которые изначально притягиваются друг к другу и реагируют на пластинку противоположно, в то время как в четвертом оба заряда изначально отталкиваются и оба направляются вверх, поэтому оба являются отрицательными; только второй рисунок содержит ошибку.