靜電計與驗電器的差異及工作原理

靜電計與(yu) 驗電器的差異及工作原理

將靜電計的金屬球和金屬外殼分別與(yu) 被測量的導體(ti) 用導線連接，例如分別與(yu) 平行板電容器的正負極板相連．當電荷停止移動後，靜電計的金屬杆與(yu) 外殼之間的電勢差，跟平行板電容器兩(liang) 極板間的電勢差相等．由於(yu) 靜電計也是一個(ge) 電容器，其指針所帶電荷量跟指針和外殼間的電勢差成正比，電勢差越大，指針帶電荷量越多，張開的角度也越大，所以根據指針所指刻度，可以定量地知道指針與(yu) 外殼問的電勢差，也就知道了平行板電容器兩(liang) 極板間的電勢差．由於(yu) 靜電計的電容量很小，所獲得的電荷量與(yu) 平行板電容器原來所帶電荷量相比較可以忽略不計，故可認為(wei) 測量前後平行板電容器所帶電荷量基本不變，兩(liang) 板電勢差也基本不變．

靜電計與(yu) 驗電器

靜電計和驗電器是研究靜電場特性的兩(liang) 種重要實驗儀(yi) 器，但對這兩(liang) 種儀(yi) 器在結構和作用方麵的異同，多數人並不清楚，甚至存在一些誤解。例如認為(wei) “隻要把驗電器的金屬箔換成金屬指針就變成靜電計”，對“靜電計為(wei) 什麽(me) 能測量電勢差”、“靜電計不能用來測量直流電路的電勢差”等問題，也有模棱兩(liang) 可，說不清楚。為(wei) 此，本文對這兩(liang) 種儀(yi) 器的結構和用途等方麵的差異作些必要的辨析。

一  構造上的差異

zui常用的金箔驗電器，

它是檢驗物體(ti) 是否帶電的zui簡單的儀(yi) 器，構造如圖1a所示。在玻璃瓶口處有一橡膠塞，塞中插一根金屬杆，杆的上端有一金屬球，下端懸掛一對金箔（或鋁箔）。當帶電體(ti) 與(yu) 金屬小球接觸時，箔片因帶同性電荷相排斥而張開。為(wei) 了避免氣流的影響，金屬棒和箔片封閉在一個(ge) 玻璃瓶中，棒與(yu) 瓶間有絕緣材料相隔。高中物理課本上介紹的驗電器如圖1b，是曆**個(ge) 驗電器，是英國的W·吉伯在實驗過程中製作的，也是金箔驗電器，結構基本上相同而靜電計是用靜電方法測量電勢差的儀(yi) 器。

實驗室常用的靜電計是布勞恩靜電計，它的結構是在*緣底座上裝一鼓形鐵殼，鐵殼的前麵裝有透明玻璃，後麵裝有標有刻度的毛玻璃，在金屬殼中絕緣地安裝一根金屬杆，杆的上端為(wei) 金屬小球，金屬杆下部的水平軸上裝有金屬指針，可繞水平軸靈活轉動。圓筒的底部有接線柱，可用來接地或與(yu) 其他導體(ti) 相連。這樣，靜電計的金屬外殼與(yu) 內(nei) 部的金屬杆及金屬指針構成了一個(ge) 特殊的電容器。

二  工作原理及用途上的差異

1.驗電器原理及其用途

驗電器的原理：當驗電器指示係統帶電後，由於(yu) 同種電荷的排斥力使指示器發生偏轉，它是從(cong) 力的角度來反映導體(ti) 帶電的情況。當指示係統具有一定的偏轉角時，其重力矩與(yu) 靜電力矩平衡。

驗電器的主要用途：檢驗物體(ti) 是否帶電，比較帶電的種類以及所帶電荷量的多少等。

2.靜電計原理及其用途

靜電計的原理是：從(cong) 上麵的構造分析，我們(men) 知道靜電計本身其實就是一個(ge) 電容器。金屬球、金屬杆、指針相當於(yu) 電容器的一個(ge) 電極，金屬外殼也相當於(yu) 一個(ge) 電極，它們(men) 之間是絕緣的。其電容的大小由金屬殼的幾何尺寸的大小和金屬杆及指針的長短、位置所決(jue) 定。因為(wei) 指針的偏轉角變化對靜電計的電容的影響很小，故在指針轉動過程中可近似認為(wei) 靜電計的電容值不變。現以測電容器電壓（如圖2）為(wei) 例說明其原理。將一個(ge) 已充電電量為(wei) Q的平板電容器與(yu) 靜電計相連，此時指針和金屬杆帶正電，外殼的內(nei) 表麵將出現負的感應電荷，從(cong) 而在金屬杆與(yu) 外殼間形成電場，指針表麵的電荷受到電場力的作用，或者說受到來自杆上同種電荷的排斥力及金屬盒內(nei) 壁的異種電荷的吸引力，使得指針偏轉，帶電量越多，場強越強，則指針的偏角也越大。根據，可知當靜電計電容保持不變時，靜電計兩(liang) 極間的電勢差U與(yu) 其帶電量Q成正比，U越大，Q越大，指針所受電場力越大，指針張角因此就越大。由此可見，指針張角大小能定性地反映靜電計兩(liang) 極間的電勢差的大小。

由於(yu) 靜電計的特殊結構，使得它又具備驗電器不能替代的某些作用。它不但可以定性測量兩(liang) 導體(ti) 的電勢差（這點上麵已有，故不重述），還可以定性測量某導體(ti) 的電勢，甚至還可以測量直流電路中的電勢差。

既然靜電計本身也是一個(ge) 電容器，那麽(me) 把靜電計並聯在直流電路中電勢差不為(wei) 零的兩(liang) 點時，靜電計就會(hui) 被充電，其指針就應該偏轉。但實際上在一般直流電路中，由於(yu) 電壓較小，使靜電計所帶電荷量很小，指針的偏轉角度幾乎覺察不出來。靜電計上的刻度一般是以靜伏（靜電係單位）為(wei) 單位的，而1靜伏=300V。故一般的直流電壓不能使靜電計指針有明顯偏轉。如果把靜電計接在具有幾百、幾千甚至幾萬(wan) 伏電壓的直流電路中，靜電計指針就會(hui) 有明顯偏轉，也就可以用靜電計來測量某兩(liang) 點間的電壓。例如把靜電計接在感應圈的副線圈上，指針偏轉角度會(hui) 忽大忽小，說明感應圈輸出的是不穩定的脈動電壓。由上可知，驗電器與(yu) 靜電計從(cong) 原理和用途上看都不能說是一回事，它們(men) 隻是在結構上相似而已。