验电器的工作原理.doc

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，所以也就大。由于q决定，所以的大小能表示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WQ5 A型万用电桥测得一般静电计的电容C0为911pF。A所带电量q和A、B间电势差U之间的关系是qC0UU大则q大，静电计的指针张角也就大。所以，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30KV的任意电压。用它给静电计加上不同的电压U，再用Q3V型静电高压表配合DY5 A型电子管电压表，测量所加电压U的值。每加一个电压