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验电器和静电计的发明史

日期:2021-01-20    来源:假装科学

国际电力网

2021
01/20
09:33
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关键词: 静电 电荷量 电学科普

随着对静电现象的广泛研究,如何对电荷量进行定量研究成了迫切需要解决的问题,1767年普利斯特在《电的历史和现状》一书中就写到:“电学家们急需一种确定莱顿瓶充电到什么程度或容纳 电荷的精确能力的方法。”

而在当时确定电荷量只有两个不太准确的方法。一个是根据充电时,摩擦起电机的旋转次数来估计;另一个是莱顿瓶放电时,记录其放电电弧的长度来估计。

为了测量带电体的带电情况,18世纪的物理学家们先后发明了各种形式的测量仪器。

一、棉线验电器

1600年吉尔伯特《磁学》一书中首先设计鱼骨验电器,用来检验物体是否带电。他将一根像鱼刺一样的金属针平放,然后用绝缘底座支撑起来,让金属针可以自由旋转,当带电体靠近金属针时,金属针就会旋转。但由于摩擦力的存在,这个装置的灵敏度不够高。

玻璃摩擦起电机的发明者豪克斯比在实验过程中发现,他从玻璃球的各个方向都能够感受到静电的吸引力。于是提出,带电体的电力是向外辐射的,就像物体发出的光线一样。

1709年,豪克斯在《物理力学实验》中展示了一种棉线验电器,用来显示带电体这种特性。

他在一个大铁圈上等距地悬挂着一些棉线段,此时棉线下垂。当把这个铁圈套在带电的玻璃球上,所有的棉线都绷直了,并且与玻璃球表面垂直。

他又将一个小铁圈放在玻璃球内,发现铁圈上的棉线同样绷直,呈现发散状。

1731年,史蒂芬·格雷从豪克斯比的实验得到启发,只用一根“验电线”来进行实验,哪里有静电, 这个验电线就会指向哪里,后来格雷用验电器发现了导体与绝缘体。

1736年,格雷去世后,英国牧师、物理学家格兰维尔·惠勒(Granville Wheler)发表了他的电学发现,其中他制作了小型的验电器,在此后流行了近二十年。

惠勒在小铁环上悬挂两根棉线,当他靠近带电体时,两根棉线因为感应同种电荷而相互排斥,后来惠勒又在在验电线下端挂上羽毛,现象更加明显。

二、木髓球验电器

1754年,英国的约翰·坎顿在亚麻线的末端系上植物的小髓球,取代了惠勒使用的羽毛,制作成了木髓球验电器。

约翰·坎顿还只制作了一个木盒,当要使用时,将木盒拉开,两个用亚麻线悬挂的木髓球悬落下来,就可以进行验电实验。

用一个带电体接触一下其中一个木髓球让其带电,另一个木髓球随后被吸引过来,随后两个木髓球因为带上同种电荷而相互排斥,呈现一个倒V形。根据两个小球之间的距离,就可以大致判断出带电量的多少。

三、象限静电计

1770年,英国物理学家亨雷,在木髓球验电器的基础之上,首先制作了带有刻度的验电器-象限静电计。

在绝缘支架上立有黄铜柱,然后从立柱顶部用金属丝悬挂一个木髓球,当给黄铜柱充电时,由于静电力的作用,球会从黄铜支架上被击退,立柱顶端固定有一个量角器,可以直接读出小球弹开的角度,据此判断电量的多少。

1770英国William Henley制作

亨雷静电计的出现,让电荷量的定量测量成为可能,很多电学家都开始设计类似的装置。比如将亚麻绳换成细木杆,并用铰链连接。或者用玻璃管将装置密封起来。

1770s,瑞士登山运动创始人奥拉斯-贝内迪克特·德索叙尔设计制作

四、卡瓦洛静电计

1777年, 意大利物理学家提比略·卡瓦洛(Tiberius Cavallo)在《电力全书》中提出了卡瓦洛静电计,他将象限静电计用贴有金箔的玻璃屏封装起来,屏蔽了气流和其它带电体的影响,是静电测量技术的一次飞跃。

卡瓦洛在玻璃瓶内壁贴了一层金箔,将亚麻丝换成了两根银丝,银丝一端悬挂着椭球状的木髓球,悬在瓶内,而银丝的另一端连着一根铜柱,铜柱穿过软木塞伸出瓶外。

将带电体接触瓶外铜柱,电荷就会传入瓶内的木髓球上,测量银丝的张角或者木髓球的距离,既可以判断其带电情况。

五、金叶静电计

1787年,英国牧师和物理学家亚伯拉罕·贝内特(Abraham Bennet)在《电力新实验》一书中提出了金叶静电计,比卡瓦洛静电计更大更灵敏。

金叶静电计外壳是高5英寸直径2英寸的玻璃瓶,瓶内黄铜柱的下端不是银丝和木髓球,而悬挂是两片2英寸长的平行的金箔。

六、验电器与静电计的区别

现在我们使用的验电器结构,接近于“金叶验电器”,不需要金属屏蔽层。而静电计使用了可以旋转的电阻很大的指针来取代丝线或者金箔,同时金属外壳在使用时需要接地,有的静电计还会将内部抽成真空。

验电器与静电计

根据电荷的传导理论,验电器与被测带电体接触后,将会是一个等势体。

根据伏打电容定律Q=CU,如果被测导体的电容固定不变,那么其所带电荷越高,其电势也就越高,那么流入验电器的电荷就越多,其张角也就越大。

但由于两片金叶的电容值和张角有关,金叶所以验电器的张角并不与被测带电体的电荷量或者电势成正比。

并且验电器的电容值偏大,导致被测带电体大量电荷流入从而电势发生变化,所以验电器也无法测量到被测带电体原本的电势。

而静电计的指针和金属外壳会形成一个电容值很小的电容,这个值与指针的偏转角度无关。当被测带电体与其接触时,两者形成等势体,指针的偏转角度近似于被测带电体的电势成正比。由于静电计的电容很小,所以被测带电体的电势几乎不会变化,因此静电计是一种测量电势的仪器,而非测量电荷量的多少。

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