浅谈验电器与静电计的差异

2016-11-08彭劲博

科学中国人 2016年30期

关键词：电荷指针金属

彭劲博

长沙市长郡梅溪湖中学

浅谈验电器与静电计的差异

彭劲博

长沙市长郡梅溪湖中学

在高中阶段物理课程中，会学习到验电器和静电计这两个形状类似的实验仪器，在学习过程中常常会将二者混淆。而这两种仪器看似相同，其实无论是在构造、原理还是功能用途上都存在着较大的差异。本文针对验电器与静电计在构造、原理以及功能用途上的差异进行了探讨。

验电器；静电计；构造差异；功能差异

在学习电场特性这一课程内容时，涉及的验电器与静电计这两种关键实验仪器，因在形状上较为相似，不仅容易产生混淆，还会在学习中生出诸如“验电器和静电计用途相同”等错误认识。因而分析辨别验电器与静电计本质上的差异，对于理解和掌握电场特性这一知识具有重要作用。

一、验电器与静电计在构造上的差异

（一）验电器

金箔验电器是最为常用也是最简单的验电器，主要被用于检测物体带电与否。验电器构造如图1所示，验电器实物如图2所示

图1　验电器构造图

图2　验电器实物图

从图1和图2中可清晰地看出验电器的主要构造。在验电器顶端通常使用金属球（或者使用金属板），金属球下方连接一根金属杆，金属杆插入玻璃器皿内，在金属杆下端挂有两片金属箔，此处应注意金属杆下端与金属箔是需要整个被封装于玻璃器皿内的。当带电物体接触验电器上方金属小球时，金属箔片会因同性电荷相互排斥向两侧张开。金属箔和金属杆被封存于玻璃器皿中，一是为了方便观察，二是为了防止气流产生干扰。此外，金属杆与玻璃器皿相接处需要使用绝缘物防止二者发生接触。

（二）静电计

静电计主要被用于电势差的测量。图3为静电计构造图，图4为静电计实物图。

图3　静电计构造图

图4　静电计实物图

观察图3和图4可以清晰看出静电计的基本构造。通常静电计使用圆形金属外壳，并在金属外壳前方或后方装有带刻度的透明玻璃。圆形金属外壳上方与底座都采用绝缘物质，金属杆从外壳上方绝缘物质处插入壳内，金属杆上端为金属小球，金属指针被装于金属杆下端垂直方向，并可以被水平转动。通常情况下，静电计底座有接线柱，用于连接其他导体或直接接地。静电计是一种特殊的电容器［1］。

二、验电器与静电计在工作原理上的差异

（一）验电器工作原理

验电器的工作原理相对简单，若与验电器金属球接触的物体带电，电荷经金属球传至金属杆下端的金属箔片，在相同电荷互相排斥的作用，金属箔片会张开。验电器是从力的角度，检验物体是否带电以及带电情况。

（二）静电计工作原理

静电计的工作原理相对复杂一些。静电计的金属外壳与金属杆以及金属指针始终处于绝缘状态，可将二者视作电容器的两个电极，也可以将金属指针、金属杆以及金属外壳三者构成的静电计视为特殊的电容器。这个特殊电容器由金属指针及金属杆的位置、长短和金属外壳上的刻度尺寸决定其电容的大小。由于静电计的电容几乎不受金属指针偏转角变化的影响，因而可认为静电计的电容量在金属指针转动过程中大致保持不变，当静电计连接一带电量为+Q的带电体时，此时的金属杆与金属指针带正电，金属外壳内表面出现的感应电荷为负，从而会在金属外壳与金属杆之间产生电场。受电场力的作用，金属指针表面的电荷使指针发生偏转。被测物体带电量越大，静电计内形成的电力场越强，金属指针受电力场作用就越大，偏转角度就越大。根据公式Q=CU可知，当静电计电容C固定不变时，静电计两个电极的电势差U与其带电量Q成正比例关系，即U越大，Q越大。因此，静电计两极间电势差的大小可通过其金属指针的张角大小反映［2］。

三、验电器与静电计功能用途上的差异

（一）验电器的功能用途

1、检验物体带电与否。将物体与验电器上的金属球接触，若物体本身带电，则会有部分电荷被传至两片金属箔上。由于金属箔所带电荷相同，根据同性电荷相排斥定理，金属箔片会张开，物体所带电荷越大，金属箔片张角越大。若金属箔片没有发生变化，则说明该物体本身不带电。2、检验物体所带电性。将已知带电物体与验电器金属球接触，若金属箔片张角增大，则说明物体带正电，若金属箔片张角变小，则表明物体带负电。

（二）静电计的功能用途

1、定量测量电势。将静电计金属外壳接地，再将被测物体与静电计金属球连接，地与导体之间的电势差就是金属指针所指刻度，设地的电势为0，则指针所指读数就是被测物体的电势。2、定量测量电势差。将被测量物体用导线分别与静电计金属外壳和金属球连接，根据金属指针所指的刻度位置，可得出定量条件下，金属外壳与金属指针之间的电势差。3、测量直流电路中的电势差。静电计本身就是一种特殊的由金属杆、金属指针、金属外壳所组成的电容器，如果在直流电路中电势差不等于0的两点并联静电计，静电计会发生充电现象，金属指针则会发生偏转。但直流电路在实际情况下其电压较小，能够使静电计所带电量十分有限，金属指针的偏角几乎不会受其影响而发生变化。静电计上的刻度单位通常是以静伏（1静伏=300伏）表示，因而静电计的金属指针不会受一般的直流电压影响而发生明显偏转。若将静电计与300伏以上的直流电路金属指针相连，则会发生明显偏转。因而直流电路中的电势差可以用静电计进行测量。

综上所述，就构造而言，验电器由金属球、金属杆以及金属箔片组成的孤立导体。而静电计是由金属球、金属杆、金属指针以及金属外壳组成的特殊电容器。就工作原理而言，验电器金属箔片张开是受相同电荷相互排斥的作用。静电计金属指针发生偏移是受电场力的作用。就功能用途而言，验电器和静电计都可被用于检测物体是否带电，但验电器相较于静电计更为灵敏。定量测量两物体的电势差只能使用静电计，静电计可作为验电器使用，但验电器不能被作为静电计使用［3］。