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时间:2018-08-08
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1、静电计的工作原理及使用 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
2、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
3、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
4、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
5、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。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
6、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—5A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=C0UU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。为了找到静电计张角α与电势差U之间的实际对应关系,我们作如下实验:用自耦调压变压器做(输出电压为30KV的)“直流高压电源”,调节自耦调压变压器的输出电压,可以得到0至30K
7、V的任意电压。用它给静电计加上不同的电压U,再用Q3—V型静电高压表配合DY—5A型电子管电压表,测量所加电压U的值。每加一个电压,都从正面给静电计拍照,在放大的照片上用量角器测量对应于U的指针张角α,得到若干组数据在表1中列出。实验中用的甲静电计是一个性能较好的静电计,乙静电计的性能则差一些。
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