Электроскоп – это простой прибор, позволяющий выявить электрический заряд и приблизительно определить величину данного заряда. Традиционная структура электроскопа включает в себя обычный металлический стержень, с одной стороны которого закреплён шарик. Снизу к стержню прикрепляются несколько листочков из лёгкого металла. Данный стержень вставлен в стеклянную ёмкость и закреплён в ней с помощью материала, не пропускающего электрические заряды.

Стержень помещён в ёмкость таким образом, что шарик, прикреплённый с одного конца стержня, остаётся снаружи. Принцип действия электроскопа достаточно несложен: стоит только взять тело, заряд которого нужно определить и поднести его к шарику стержня. После прикосновения имеющийся у тела электрический заряд переходит по стержню к листкам лёгкого металла, которые под его воздействием слегка отталкиваются друг от друга. Оценивая угол, который образуется между листками, определяют примерный уровень электрического заряда.

Описание как сделать электроскоп

Изготовить электроскоп самостоятельно можно при соблюдении следующих рекомендаций:

Для работы нам потребуется:

1. стеклянная банка с узким горлом или бутылка с прозрачным стеклом.
2. пробка от этой же бутылки (или другая подходящая),
3. небольшой кусок проволоки
4. папиросная бумага или обычная фольга.

Итак. Делаем электороскоп....

• Необходимо в пробке проделать небольшое отверстие таким образом, чтобы проволока плотно входила в него. Для этого можно воспользоваться любым подручным инструментом, вплоть до обычного штопора. Проволоку нужно предварительно измерить, её длина не должна превышать глубину используемой банки или бутылки.
• Далее следует продеть проволоку в пробку, чтобы при закрытии пробки большая часть проволоки оставалась в бутылке, а меньшая - снаружи, над пробкой. Если отверстие слишком большое и проволока не держится плотно, её следует закрепить с помощью любых подходящих материалов.
• Если имеется паяльный инструмент, то к верхнему концу проволоки (который расположен над крышкой) стоит припаять небольшой металлический шарик. Если такой возможности нет, можно оставить всё как есть, так как электроскоп будет прекрасно работать и без шарика.
• К нижнему концу проволоки остаётся прикрепить два небольших лепестка из фольги или папиросной бумаги. Прикреплять следует параллельно с расчётом на то, что при прохождении электрического заряда лепестки должны расходиться в разные стороны и образовывать угол.

Наконец, необходимо аккуратно закрыть бутылку крышкой и приступать к проверке изготовленного электроскопа. Проверка заключается в прикосновении любого тела, имеющего хоть какой-то электрический заряд к внешней части проволоки или к шарику в случае его использования. Подойдёт для этой цели обычная расчёска, которой недавно пользовались. Прикасаясь к внешней стороне проволоки, наэлектризованное тело передаёт заряд вниз, к лепесткам. Заряд лепестки получают одноимённый, поэтому они должны расходиться, а по углу их расхождения приблизительно определяется величина электрического заряда.

Для того, чтобы сделать электроскоп, понадобится кусок проволоки, металлическая фольга, стеклянная или пластмассовая баночка с пластмассовой крышкой, ножницы.

Техника безопасности. При работе с острыми ножницами соблюдайте осторожность!

Отрежем ножницами (или откусим кусачками) проволоку такой длины, чтобы при складывании вдвое она от крышки доходила не менее чем до середины банки. Сложив проволоку пополам, сделаем в средней части подобие петли - для того, чтобы проволоку нельзя было случайно протолкнуть в банку.

Остриём ножниц прокрутим отверстие в пластмассовой крышке банки. Оно не должно быть большим, чтобы проволока не «болталась» в получившемся отверстии.

Протолкнём проволоку в отверстие крышки так, чтобы «петля» осталась снаружи банки, а края проволоки оказались внутри.

Из кусочка металлической фольги вырежем «лепестки» электроскопа. Лучше если это будет тонкая фольга от конфет или шоколадки. Ваш электрометр в этом случае, благодаря лёгким лепесткам, станет «чувствительнее».

Загнём края проволоки (это можно сделать с помощью пинцета), сделав загибы закруглёнными, и нанизаем на них лепестки из фольги.

И вот наш электроскоп готов к работе! Если поднести к проволочной петле наэлектризованное тело (например, кусок полиэтилена), то лепестки электроскопа разойдутся.

Вспомним физику! Одноимённые заряды отталкиваются. Металлическая проволока - хороший проводник электрических зарядов. Поэтому заряд через неё передаётся лепесткам. Получив одинаковые заряды, они оттолкнутся.

Электроскоп – это специальный прибор для обнаружения электрического заряда. Его принцип работы основывается на том факте, что на одноименно заряженные тела действуют взаимные силы отталкивания. Его часто используют учителя физики, чтобы показать различные опыты при изучении раздела «электричество». В домашних условиях можно повторить принцип работы элекроскопа, воссоздав его простейшую конструкцию.

Принцип работы электроскопа

В домашних условиях можно повторить простейший вариант электроскопа, который был раньше очень популярен. Он состоял из двух золотых полосок фольги, подвешенных на металлический стержень в стеклянной колбе.

На металлическом стержне находился шарик, к которому подносились различные предметы. Если предмет был заряжен, то золоте листочки расходились. Например, отрицательно заряженные частицы перешли с предмета на металлический стержень, а далее по нему добрались до листочков фольги. Благодаря легкости последних, они без труда реагировали на незначительные заряды.

Если сообщить электроскопу заряд, а после коснуться незаряженным металлическим шариком стержня, то листочки будут тянуться к друг другу. Это происходит из-за того, что часть заряда снимается внешним предметом. Если взять шарик еще большего диаметра, то листочку будут притягиваться еще сильнее.

Как сделать электроскоп

Для домашнего электроскопа понадобится проволока или гвоздь, фольга, любой прозрачный стеклянный сосуд. Лучше всего взять банку с крышкой.

Последовательность действий:

1. В крышке необходимо проделать отверстие, в которое будет пролезать гвоздь или проволока. Для этого можно воспользоваться острой спицей, шилом или тонким сверлом.
2. Нижнюю часть проволоки или гвоздя нужно загнуть в форме крючка и просунуть в отверстие крышки.
3. На крючке гвоздя или проволоки размещается полоска папирусной бумаги или фольга.
4. Чтобы электроскоп был восприимчивее к самым маленьким зарядом, необходимо свободный конец гвоздя или проволоки скрутить в улитку или сделать шарик из фольги.
5. После банка закручивается крышкой. Электроскоп готов к использованию.

Электроскоп способен определять даже самый маленький электрический заряд. В этой статье будет описано, как сделать в домашних условиях электроскоп, а также будут представлены видео уроки, которые помогут вам в осуществлении задуманного. Данный прибор работает на законе отталкивания одноименных частиц друг от друга. В нашем случае этими телами будут кусочки фольги или лепестки бумаги.

Что нужно, чтобы сделать электроскоп

• Стеклянный прозрачный сосуд (к примеру — банка) с пластиковой крышкой
• Кусок проволоки или гвоздь
• Фольга

Инструкция для применения в домашних условиях

1. В крышке банки проделайте маленькое отверстие, чтобы можно было пропихнуть в него проволоку или гвоздь.
2. Нижнюю часть гвоздя или проволоки загните крючком и просуньте в отверстие.
3. На загнутом конце проволоки закрепите полоску папирусной бумаги или фольги.
4. Чтобы повысить емкость прибора, верхнюю часть гвоздя или проволоки нужно свернуть спиралью, или надеть на нее пластиковый шарик обернутый фольгой.
5. Банк закройте крышкой и ваш собственный электроскоп, сделанный своими руками, готов к использованию.

Чтобы узнать работает ли наш прибор, необходимо к медной проволоке поднести наэлектризованный предмет, к примеру, расческу, в это время должны будут приподняться лепестки фольги. Чем больше заряд, чем сильнее они оттолкнуться друг от друга. Также можете прикоснуться пальцем, лепестки также должны чуть-чуть отталкиваться, поскольку через нас протекает электрический заряд.

Простейшим индикатором наличия электрического заряда (качественной оценки) является (англ. electroscope ) - первый электрический измерительный прибор.
Для количественной оценки заряда используется электрометр (англ. electrometer ).

Разновидности электроскопов

pith-ball electroscope (double straw electroscope) - 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 :

При включении источника листочки фольги разошлись в стороны:

Видео эксперимента на :
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

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

Опыт1

Если к терминалу положительно заряженного электроскопа поднести отрицательно заряженную эбонитовую палочку, то из-за индукции суммарный положительный заряд лепестков уменьшится и они сблизятся

Опыт 2

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:

Разряд электроскопа

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.

Советы

Для уменьшения влажности воздуха можно поместить внутрь электроскопа предварительно прокаленные (например, на сковородке) гранулы силикагеля или алюмогеля.

J. B. Calvert (http://mysite.du.edu/~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 в журнале "Popular Electronics " за июль 1955 года приведены примеры опытов с электроскопом:

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.

Атмосфера

Электроскопы использовались для определения электрического состояния атмосферы.

Радиация

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:

O 2 + y = > O 2 + + e -
N 2 + y => N 2 + + e -
Ar + y => Ar + + e -

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.

Космические лучи

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).