靜電計(jì)與驗(yàn)電器的差異及工作原理

將靜電計(jì)的金屬球和金屬外殼分別與被測(cè)量的導(dǎo)體用導(dǎo)線連接，例如分別與平行板電容器的正負(fù)極板相連．當(dāng)電荷停止移動(dòng)后，靜電計(jì)的金屬桿與外殼之間的電勢(shì)差，跟平行板電容器兩極板間的電勢(shì)差相等．由于靜電計(jì)也是一個(gè)電容器，其指針?biāo)鶐щ姾闪扛羔樅屯鈿らg的電勢(shì)差成正比，電勢(shì)差越大，指針帶電荷量越多，張開的角度也越大，所以根據(jù)指針?biāo)缚潭?，可以定量地知道指針與外殼問的電勢(shì)差，也就知道了平行板電容器兩極板間的電勢(shì)差．由于靜電計(jì)的電容量很小，所獲得的電荷量與平行板電容器原來所帶電荷量相比較可以忽略不計(jì)，故可認(rèn)為測(cè)量前后平行板電容器所帶電荷量基本不變，兩板電勢(shì)差也基本不變．

靜電計(jì)與驗(yàn)電器

靜電計(jì)和驗(yàn)電器是研究靜電場(chǎng)特性的兩種重要實(shí)驗(yàn)儀器，但對(duì)這兩種儀器在結(jié)構(gòu)和作用方面的異同，多數(shù)人并不清楚，甚至存在一些誤解。例如認(rèn)為“只要把驗(yàn)電器的金屬箔換成金屬指針就變成靜電計(jì)”，對(duì)“靜電計(jì)為什么能測(cè)量電勢(shì)差”、“靜電計(jì)不能用來測(cè)量直流電路的電勢(shì)差”等問題，也有模棱兩可，說不清楚。為此，本文對(duì)這兩種儀器的結(jié)構(gòu)和用途等方面的差異作些必要的辨析。

一  構(gòu)造上的差異

zui常用的金箔驗(yàn)電器，

它是檢驗(yàn)物體是否帶電的zui簡(jiǎn)單的儀器，構(gòu)造如圖1a所示。在玻璃瓶口處有一橡膠塞，塞中插一根金屬桿，桿的上端有一金屬球，下端懸掛一對(duì)金箔（或鋁箔）。當(dāng)帶電體與金屬小球接觸時(shí)，箔片因帶同性電荷相排斥而張開。為了避免氣流的影響，金屬棒和箔片封閉在一個(gè)玻璃瓶中，棒與瓶間有絕緣材料相隔。高中物理課本上介紹的驗(yàn)電器如圖1b，是歷**個(gè)驗(yàn)電器，是英國(guó)的W·吉伯在實(shí)驗(yàn)過程中制作的，也是金箔驗(yàn)電器，結(jié)構(gòu)基本上相同而靜電計(jì)是用靜電方法測(cè)量電勢(shì)差的儀器。

實(shí)驗(yàn)室常用的靜電計(jì)是布勞恩靜電計(jì)，它的結(jié)構(gòu)是在*緣底座上裝一鼓形鐵殼，鐵殼的前面裝有透明玻璃，后面裝有標(biāo)有刻度的毛玻璃，在金屬殼中絕緣地安裝一根金屬桿，桿的上端為金屬小球，金屬桿下部的水平軸上裝有金屬指針，可繞水平軸靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。圓筒的底部有接線柱，可用來接地或與其他導(dǎo)體相連。這樣，靜電計(jì)的金屬外殼與內(nèi)部的金屬桿及金屬指針構(gòu)成了一個(gè)特殊的電容器。

二  工作原理及用途上的差異

1.驗(yàn)電器原理及其用途

驗(yàn)電器的原理：當(dāng)驗(yàn)電器指示系統(tǒng)帶電后，由于同種電荷的排斥力使指示器發(fā)生偏轉(zhuǎn)，它是從力的角度來反映導(dǎo)體帶電的情況。當(dāng)指示系統(tǒng)具有一定的偏轉(zhuǎn)角時(shí)，其重力矩與靜電力矩平衡。

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

2.靜電計(jì)原理及其用途

靜電計(jì)的原理是：從上面的構(gòu)造分析，我們知道靜電計(jì)本身其實(shí)就是一個(gè)電容器。金屬球、金屬桿、指針相當(dāng)于電容器的一個(gè)電極，金屬外殼也相當(dāng)于一個(gè)電極，它們之間是絕緣的。其電容的大小由金屬殼的幾何尺寸的大小和金屬桿及指針的長(zhǎng)短、位置所決定。因?yàn)橹羔樀钠D(zhuǎn)角變化對(duì)靜電計(jì)的電容的影響很小，故在指針轉(zhuǎn)動(dòng)過程中可近似認(rèn)為靜電計(jì)的電容值不變?，F(xiàn)以測(cè)電容器電壓（如圖2）為例說明其原理。將一個(gè)已充電電量為Q的平板電容器與靜電計(jì)相連，此時(shí)指針和金屬桿帶正電，外殼的內(nèi)表面將出現(xiàn)負(fù)的感應(yīng)電荷，從而在金屬桿與外殼間形成電場(chǎng)，指針表面的電荷受到電場(chǎng)力的作用，或者說受到來自桿上同種電荷的排斥力及金屬盒內(nèi)壁的異種電荷的吸引力，使得指針偏轉(zhuǎn)，帶電量越多，場(chǎng)強(qiáng)越強(qiáng)，則指針的偏角也越大。根據(jù)，可知當(dāng)靜電計(jì)電容保持不變時(shí)，靜電計(jì)兩極間的電勢(shì)差U與其帶電量Q成正比，U越大，Q越大，指針?biāo)茈妶?chǎng)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(jì)兩極間的電勢(shì)差的大小。

由于靜電計(jì)的特殊結(jié)構(gòu)，使得它又具備驗(yàn)電器不能替代的某些作用。它不但可以定性測(cè)量?jī)蓪?dǎo)體的電勢(shì)差（這點(diǎn)上面已有，故不重述），還可以定性測(cè)量某導(dǎo)體的電勢(shì)，甚至還可以測(cè)量直流電路中的電勢(shì)差。

既然靜電計(jì)本身也是一個(gè)電容器，那么把靜電計(jì)并聯(lián)在直流電路中電勢(shì)差不為零的兩點(diǎn)時(shí)，靜電計(jì)就會(huì)被充電，其指針就應(yīng)該偏轉(zhuǎn)。但實(shí)際上在一般直流電路中，由于電壓較小，使靜電計(jì)所帶電荷量很小，指針的偏轉(zhuǎn)角度幾乎覺察不出來。靜電計(jì)上的刻度一般是以靜伏（靜電系單位）為單位的，而1靜伏=300V。故一般的直流電壓不能使靜電計(jì)指針有明顯偏轉(zhuǎn)。如果把靜電計(jì)接在具有幾百、幾千甚至幾萬伏電壓的直流電路中，靜電計(jì)指針就會(huì)有明顯偏轉(zhuǎn)，也就可以用靜電計(jì)來測(cè)量某兩點(diǎn)間的電壓。例如把靜電計(jì)接在感應(yīng)圈的副線圈上，指針偏轉(zhuǎn)角度會(huì)忽大忽小，說明感應(yīng)圈輸出的是不穩(wěn)定的脈動(dòng)電壓。由上可知，驗(yàn)電器與靜電計(jì)從原理和用途上看都不能說是一回事，它們只是在結(jié)構(gòu)上相似而已。