静电计使用及原理2007-12-23 07:44
静电计又叫电势差计或指针验电器,它是中学静电实验中常用的半定量测量仪器.如图1所示,包括小球a、指针bc的中心杆A用绝缘塞D固定在有前后玻璃窗的圆形金属外壳B上；B的侧下方有一个接线柱；整个装置固定在一个绝缘支架上.
当A带电时,电荷主要分布在a、b、c和d四个尖端部位,其中c和d两部分所带电荷以斥力相作用,指针受到一个使它张开的电力矩L1的作用.由于指针的重心略在旋转轴O点之下,当L1使指针张开后,指针的重力便产生一个使指针复位的重力矩L2.随着指针的偏转,L1渐小（因为c与d的距离增加,库仑力变小,力臂也变小）而L2渐大（因为重力力臂增加）.当L1与L2相等时,指针停在某一位置（是稳定平衡）,指针的张角为α°
当A所带电量q较大时,c和d所带电量也较大,L1就大,所以α也就大.由于q决定α,所以α的大小能表示q的大小.这就是静电计可以当作验电器使用的道理.
由于静电感应,当A带电后, 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—5 A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.
