Elektroskop
Elektroskopet är ett tidigt vetenskapligt instrument som används för att upptäcka närvaron av elektrisk laddning på en kropp . Den upptäcker laddning genom rörelsen av ett testobjekt på grund av Coulombs elektrostatiska kraft på det. Mängden laddning på ett föremål är proportionell mot dess spänning . Ansamlingen av tillräckligt med laddning för att upptäcka med ett elektroskop kräver hundratals eller tusentals volt, så elektroskop används med högspänningskällor som statisk elektricitet och elektrostatiska maskiner . Ett elektroskop kan bara ge en grov indikation på mängden laddning; ett instrument som mäter elektrisk laddning kvantitativt kallas en elektrometer .
Elektroskopet var det första elektriska mätinstrumentet . Det första elektroskopet var en vridbar nål (kallad versorium ), uppfann av den brittiske läkaren William Gilbert omkring 1600. Pith-ball-elektroskopet och bladguld-elektroskopet är två klassiska typer av elektroskop som fortfarande används i fysikundervisningen för att demonstrera principerna av elektrostatik . En typ av elektroskop används också i kvartsfiberstrålningsdosimetern . Elektroskop användes av den österrikiske vetenskapsmannen Victor Hess i upptäckten av kosmiska strålar .
Pith-ball elektroskop
År 1731 använde Stephen Gray en enkel hängande tråd, som skulle attraheras av alla närliggande laddade föremål. Detta var den första förbättringen av Gilberts versorium från 1600.
Pith-ball-elektroskopet, som uppfanns av den brittiske skolmästaren och fysikern John Canton 1754, består av en eller två små kulor av ett lätt, icke-ledande ämne, ursprungligen ett svampigt växtmaterial som kallas märg , upphängt i silke eller lintråd från kroken på en isolerad stå. Tiberius Cavallo gjorde ett elektroskop 1770 med tjockkulor i änden av silvertrådar. Moderna elektroskop använder vanligtvis bollar av plast. För att testa närvaron av en laddning på ett föremål, förs föremålet nära den oladdade pitbollen. Om föremålet är laddat kommer bollen att attraheras av det och röra sig mot det.
Attraktionen uppstår på grund av inducerad polarisering av atomerna inuti märgkulan. All materia består av elektriskt laddade partiklar som ligger nära varandra; varje atom består av en positivt laddad kärna med ett moln av negativt laddade elektroner som omger den. Märgen är en icke-ledare , så elektronerna i bollen är bundna till atomer i märgen och är inte fria att lämna atomerna och röra sig i bollen, men de kan röra sig lite inom atomerna. Se diagram. Om till exempel ett positivt laddat föremål (B) förs nära märgkulan (A) kommer de negativa elektronerna (blått minustecken) i varje atom (gula ovaler) att attraheras och röra sig något mot sidan av atomen närmare atomen. objektet. De positivt laddade kärnorna (röda plustecken) kommer att stötas bort och kommer att röra sig något bort. Eftersom de negativa laddningarna i märgkulan nu är närmare föremålet än de positiva laddningarna ( C) , är deras attraktion större än avstötningen av de positiva laddningarna, vilket resulterar i en nettoattraktionskraft. Denna separation av laddning är mikroskopisk, men eftersom det finns så många atomer, blir de små krafterna en tillräckligt stor kraft för att flytta en lätt märgboll.
Märgbollen kan laddas genom att röra den mot ett laddat föremål, så några av laddningarna på ytan av det laddade föremålet flyttar sig till bollens yta. Då kan bollen användas för att särskilja laddningens polaritet på andra föremål eftersom den kommer att stötas bort av föremål som laddas med samma polaritet eller tecken som den har, men attraheras av laddningar med motsatt polaritet.
Ofta kommer elektroskopet att ha ett par upphängda märgkulor. Detta gör att man med en blick kan se om pitbollarna är laddade. Om en av märgkulorna berörs av ett laddat föremål, laddar det, kommer den andra att attraheras och röra vid den, vilket kommunicerar en del av laddningen till den andra bollens yta. Nu har båda bollarna samma polaritetsladdning, så de stöter bort varandra. De hänger i en inverterad "V"-form med bollarna utspridda. Avståndet mellan kulorna kommer att ge en ungefärlig uppfattning om laddningens storlek.
Bladguld elektroskop
Bladguldelektroskopet utvecklades 1787 av den brittiske prästen och fysikern Abraham Bennet , som ett känsligare instrument än elektroskop med bult eller halmblad som då användes. Den består av en vertikal metallstav , vanligtvis mässing , från vars ände hänger två parallella remsor av tunt flexibelt bladguld . En skiva eller kulterminal är fäst på toppen av stången, där laddningen som ska testas appliceras. För att skydda guldbladen från luftdrag är de inneslutna i en glasflaska, vanligtvis öppen i botten och monterad över en ledande bas. Ofta finns det jordade metallplattor eller folieremsor i flaskan som flankerar guldbladen på vardera sidan. Dessa är en säkerhetsåtgärd; om en överdriven laddning appliceras på de ömtåliga guldbladen kommer de att vidröra jordningsplattorna och urladdas innan de rivs sönder. De fångar också upp laddning som läcker genom luften som ackumuleras på glasväggarna, vilket ökar instrumentets känslighet. I precisionsinstrumenten evakuerades ibland flaskans insida, för att förhindra att laddningen på terminalen läcker ut genom jonisering av luften.
När metallterminalen vidrörs med ett laddat föremål sprids guldbladen isär i ett inverterat "V". Detta beror på att en del av laddningen från föremålet leds genom terminalen och metallstången till bladen. Eftersom bladen får samma teckenladdning stöter de bort varandra och divergerar därmed. Om terminalen jordas genom att röra den med ett finger , överförs laddningen genom människokroppen till jorden och guldbladen tätt intill varandra.
Elektroskopbladen kan också laddas utan att vidröra ett laddat föremål vid terminalen, genom elektrostatisk induktion . När det laddade föremålet förs nära elektroskopterminalen sprids bladen isär, eftersom det elektriska fältet från föremålet inducerar en laddning i den ledande elektroskopstaven och bladen, och de laddade bladen stöter bort varandra. Laddningen med motsatt tecken attraheras av det närliggande föremålet och samlas på terminalskivan, medan samma teckenladdning stöts bort från föremålet och samlas på bladen (men bara så mycket som kvar från terminalen), så bladen stöter bort varje Övrig. Om elektroskopet är jordat medan det laddade föremålet är i närheten, genom att vidröra det tillfälligt med ett finger, färdas de avvisade laddningarna med samma tecken genom kontakten till jord, vilket lämnar elektroskopet med en nettoladdning med motsatt tecken som objektet. Bladen hänger till en början fritt eftersom nettoladdningen är koncentrerad till terminaländen. När det laddade föremålet flyttas bort sprids laddningen vid terminalen in i bladen, vilket gör att de sprids isär igen.
- Bladguld elektroskop
Kondenserande elektroskop, Roms universitets fysikavdelning.
Elektroskop från ca 1910 med jordningselektroder inuti burken, enligt beskrivning ovan
Hemgjort elektroskop, 1900
Se även
Fotnoter
externa länkar
- "Pith-ball elektroskop" . Fysik demonstrationsresurs . St. Mary's University . Hämtad 2015-05-28 .
- "Datorsimulering av elektroskop" . Molekylär arbetsbänk . Concord Consortium.
- "Pith Ball and Charged Rod Video" . St. Mary's Physics YouTube-kanal . St. Mary's Physics Online. Arkiverad från originalet 2021-12-22.