静电计

翟 爽

（东北师范大学物理学院，吉林 长春 130024）

高中物理电学部分，在研究静电场的特性时，有个很重要的实验仪器——静电计.它的用途有很多，例如，在摩擦起电的教学中，静电计和验电器一样，可以用来验证物体是否带电并能通过张角来辨别带电量的大小；在电容器的教学过程中，可以通过静电计的张角来判断电势差的大小等等.但是尽管应用如此广泛，很多学生甚至教师都不清楚验电器和静电计究竟有什么区别，为什么静电计可以测量两个带电体之间的电势差却不能用来测量直流电路的电势差等问题.本文将静电计的构造、工作原理和用途等方面进行详细的阐述，帮助读者从本质上了解静电计，进而更好地把它应用于教学.

1 静电计构造简介

如图1所示，是常见的静电计结构示意图.A为一个金属球，B为一个金属杆，下端与金属指针D相连接.C为一个绝缘的橡胶塞.圆形金属罩E上带有接地接线柱F，可以把金属罩内表面接地.底座G为绝缘体，为了更好地保持绝缘效果，下方还可以垫一个绝缘的木块或者泡沫H.

图1

2 静电计工作原理

从上述静电计的结构可以看出，金属球、金属杆及指针与金属外壳是相互之间有一定的距离而且彼此绝缘的金属导体，3者共同形成一个电容器.金属球、金属杆和指针相当于电容器的一个极板，金属外壳相当于另一个极板.此电容器的电容大小由金属壳的几何尺寸、金属杆及指针的长短和3者之间的相对位置所决定，由于它们的正对面积很小、距离相对较大，电介质是空气，所以静电计是一个电容很小的电容器.另外，指针的偏转而带来的电容变化很小，故在指针转动过程中可近似认为静电计的电容值C是不变的.

当静电计与带电体相连时，指针和金属感会因接触而带电，同时金属内壳和外壳相应的感应出异种电荷和同种电荷.指针表面的电荷会受到电场力的作用，或者说受到来自杆上同种电荷的排斥力及金属盒内壁的异种电荷的吸引力，使得指针偏转，静电计两极间的电势差U与其带电量Q成正比，U越大则Q越大，指针张角会越大.因此静电计指针的偏角大小和两个极板间的电势差直接相关.

从本质上了解了此仪器的工作原理以后，在实验教学的过程当中遇到的很多难题即可以迎刃而解.

3 静电计的应用

3.1 静电计与验电器

在摩擦起电的教学中，静电计和验电器一样，可以用来验证物体是否带电并能通过张角来辨别带电量的大小，但是这两种仪器又大不相同.

从构造上，验电器如2图所示：A为金属小球，下端通过金属杆C与两个箔片（金箔或铝箔）E相连，B为绝缘橡胶塞，外罩D一般为绝缘体.将一个带正电的物体与验电器金属球相连，金属球和箔片会因为接触而带正电，两个金箔带同种电荷因相互排斥而张开，即可以验证物体带电.物体带电量越大，箔片上带电量越大，排斥力越大，则张角越大.

图2

图3

若将一个带正电的物体与静电计相连，如图3所示：此时指针和金属杆带正电，外壳的内表面将出现负的感应电荷，从而在金属杆与外壳间形成电场，使得指针偏转，电荷量越多，场强越强，指针偏角越大.

总结来说，验电器箔片之间的张角显示的是带电量的大小，静电计的指针偏角显示的是极板间电势差的大小.

一般情况下，教师们在使用静电计验证物体带电的时候不会把金属外罩接地，在做了一次实验以后电荷即会存储在“电容器”中无法消失，导致偏角一直存在.教师们经常会像使用验电器时一样，采用“摸”一下金属球来除掉指针张角.但是在“摸”静电计金属球时通常不会起到理想的效果.这是因为通过用手“摸”把金属球接地，只能把金属球、金属杆和金属指针的电势变为0，而两极板间的电势差却仍旧存在.此时，若把外壳内表面和金属球同时接地，消除电势差的效果会更好.

3.2 静电计测量电势差

图4

在电容器的教学过程中，通过静电计的张角来判断两个电容器极板间电势差的大小.具体工作原理如图4所示.

将一个已充电的电量为Q的平板电容器与静电计相连，此时指针和金属杆带正电，外壳的内表面将出现负的感应电荷，此时指针即会发生偏转.由于静电计的外壳和电容器负极板是接地的，电势为0，而且电容器正极板与金属球相连是等势体，所以电容器两个极板间的电势差与静电计两个极板间的电势差相等.电势差U越大，极板间场强越强，指针受电场作用偏转越大，因此可以通过张角大小来判断电容器极板间的电势差.

3.3 静电计与电压表

由静电计这种可以作为电容器的特殊结构来分析，它不但像上文中所说那样可以测量两带电体之间的电势差，应该还可以测量某导体的电势，甚至还可以测量直流电路中的电势差.但是静电计和电压表为什么不能相互代替呢？

从结构上讲，电压表是由一个灵敏电流计串联一个大的分压电阻而构成的，它通过流过电流计中微弱的电流来间接地反应电路两端电压的大小.而静电计等效于一个电容器，通过指针的偏转来间接地反映两个极板间的电势差.

首先，静电计不能代替电压表测量直流电路两点间的电势差.若把静电计的金属球和接地钮分别与电路中的两个点连接并联在电路中，静电计会被充电，按理来说可以通过指针偏角来反应电压大小，但实际上在一般直流电路中的电压比较小，使静电计所带电荷量很小，即电容器两个极板间的电势差很小，致使指针的偏转角度几乎觉察不出来.

另外，电压表也不能代替静电计用来测量两个极板间电势差.原因在于用静电计测量两个带电体之间电势差时，由于其本身电容很小，在与导体相连时不会对原导体产生大的影响.若用电压表来测量电容器两个极板间的电势差，电压表正好为电容器放电提供了一个放电回路，等效为一个R C电路，这会直接影响原电路的各项测量结果.所以在做探究决定平行板电容器的电容因素的实验时也不能用电压表代替静电计.