Как сделать электроскоп из банки. Мой самодельный электроскоп. gold-leaf electroscope - лепестковый электроскоп

А вы знаете, что некоторые занимательные физические приборы вполне возможно смастерить в домашних условиях из подручных материалов? Несложно такое изготовление и на практических уроках физики. В этой статье мы подробно расскажем об одном из таких устройств. Как сделать своими руками электроскоп, читайте далее.

Что такое электроскоп

Электроскоп - это прибор, определяющий даже самый минимальный электрический заряд предмета. Его работа основывается на отталкивании одинаково заряженных частиц друг от друга. По их движению визуально мы и можем судить о наличии заряда, а по остроте угла, появляющегося между ними во время отталкивания - вычислить его величину.

Что нужно для создания прибора

Как сделать домашний электроскоп? В первую очередь нужно подготовить все необходимое:

Маленькие полоски фольги. Как альтернатива - кусочки папирусной бумаги, легкие скрепки без пластиковой накладки.
Небольшой отрезок медной проволоки - 15-20 см.
Стеклянный сосуд - колба, обычная банка или бутылка.
Подходящая по размеру резиновая или любая не проводящая ток крышка, пробка к емкости из предыдущего пункта.

Создаем электроскоп

А вот теперь подробно разберем, как сделать электроскоп из банки или другой стеклянной емкости:

Первым делом примемся за крышку или пробку. Шилом, штопором или толстой иголкой проделайте в этом предмете такое отверстие, чтобы через него могла пройти проволока, при этом не свободно, а плотно.

Если отверстие получилось слишком широким, то проволоку необходимо зафиксировать в нем с помощью скотча, изоленты, бумаги или пластилина.

Протяните проволоку. При этом меньшая ее часть остается снаружи, над крышкой, а большая будет находиться в банке.

Продолжаем рассказывать о том, как сделать электроскоп. После того как вы протянули проволоку через крышку, загните крючком ту ее часть, которая будет находиться в колбе. Можно сделать это руками, а можно используя специальный инструмент - иглогубцы. Крючок должен быть в форме буквы W.

Проволока должна свободно помещаться в таком виде в емкости, не задевая при этом ее стенок или дно.

Наденьте на проволочный крючок фольгу либо папирусную бумагу. Эти элементы должны помещаться в нижних уголках крючка, загнутого по форме W. И тоже не должны касаться дна банки или колбы.

Теперь осталось плотно закупорить емкость крышкой. Теперь можно приступить к испытаниям своего собственного электроскопа.

Модификации прибора

После того как мы разобрали, как сделать электроскоп самой простой конструкции, приведем несколько рекомендаций для тех, кто хочет видеть свой прибор более продвинутым:

Для повышения емкости электроскопа займитесь верхней частью проволоки, возвышающейся над крышкой: проще всего свернуть ее спиралью.

Еще один вариант увеличения емкости: надеть на верхнюю половину проволоки обмотанный фольгой пластиковый шарик.

Если у вас под рукой паяльный инструмент, то к наружному отрезку проволоки можно припаять небольшой металлический элемент.

Проверка работы электроскопа

Вот мы и полностью выяснили, как сделать электроскоп. Давайте теперь тестировать свое изобретение. Проведите несколько простых, но интересных опытов:

Поднесите к верхней части медной проволоки руку - лепестки фольги или папирусной бумаги в ответ на это должны немного приподняться в воздухе, отталкиваясь друг от друга. Сейчас вы только что доказали, что человеческое тело проводит электрический заряд, пусть даже слабый.
А теперь приблизьте к проволоке наэлектризованный предмет. Самым простым вариантом будет пластмассовая расческа, которой причесали волосы, воздушный шарик или ручка, потертая о шерстяное изделие. Кусочки фольги или бумаги внутри прибора гораздо заметнее будут отталкиваться, при этом приподнимаясь вверх и в стороны.
Еще сильнее наэлектризуйте расческу, потерев ее, например, о шерстяную кофту. Прибор движением своих элементов тут же уведомит вас об увеличении ее электрического заряда.

Вот и все, что мы хотели рассказать вам о том, как сделать электроскоп своими руками дома или в школе. Теперь у вас есть прибор, который верно определит электрический заряд любого предмета - смартфона, аксессуара для одежды, посуды, канцелярских товаров, мелкой бытовой техники и даже нас с вами. Работа его очень проста: следует только близко поднести к верхней части электроскопа объект исследования.

Электроскоп – это специальный прибор для обнаружения электрического заряда. Его принцип работы основывается на том факте, что на одноименно заряженные тела действуют взаимные силы отталкивания. Его часто используют учителя физики, чтобы показать различные опыты при изучении раздела «электричество». В домашних условиях можно повторить принцип работы элекроскопа, воссоздав его простейшую конструкцию.

Принцип работы электроскопа

В домашних условиях можно повторить простейший вариант электроскопа, который был раньше очень популярен. Он состоял из двух золотых полосок фольги, подвешенных на металлический стержень в стеклянной колбе.

На металлическом стержне находился шарик, к которому подносились различные предметы. Если предмет был заряжен, то золоте листочки расходились. Например, отрицательно заряженные частицы перешли с предмета на металлический стержень, а далее по нему добрались до листочков фольги. Благодаря легкости последних, они без труда реагировали на незначительные заряды.

Если сообщить электроскопу заряд, а после коснуться незаряженным металлическим шариком стержня, то листочки будут тянуться к друг другу. Это происходит из-за того, что часть заряда снимается внешним предметом. Если взять шарик еще большего диаметра, то листочку будут притягиваться еще сильнее.

Как сделать электроскоп

Для домашнего электроскопа понадобится проволока или гвоздь, фольга, любой прозрачный стеклянный сосуд. Лучше всего взять банку с крышкой.

Последовательность действий:

В крышке необходимо проделать отверстие, в которое будет пролезать гвоздь или проволока. Для этого можно воспользоваться острой спицей, шилом или тонким сверлом.
Нижнюю часть проволоки или гвоздя нужно загнуть в форме крючка и просунуть в отверстие крышки.
На крючке гвоздя или проволоки размещается полоска папирусной бумаги или фольга.
Чтобы электроскоп был восприимчивее к самым маленьким зарядом, необходимо свободный конец гвоздя или проволоки скрутить в улитку или сделать шарик из фольги.
После банка закручивается крышкой. Электроскоп готов к использованию.

Простейшим индикатором наличия электрического заряда (качественной оценки) является (англ. electroscope ) - первый электрический измерительный прибор.
Для количественной оценки заряда используется электрометр (англ. electrometer ).

Разновидности электроскопов

pith-ball electroscope (double straw electroscope) - шаровой электроскоп

Изобретен в 1754 году британским физиком Джоном Кантоном (J. Canton ).

Состоит из шарика из диэлектрика (например, из пластика, а раньше - из бузины - (pith-ball - бузиновый шарик)), подвешенного на шелковой нити. При расположении вблизи шарика заряженного тела он притягивается к нему.
Это происходит из-за явления поляризации диэлектрика .

gold-leaf electroscope - лепестковый электроскоп

Содержит два листочка фольги (англ. foil leaves ) (часто из золота - gold ), соединенных с терминалом (англ. cap ).

При соприкосновении терминала электроскопа с заряженным телом (англ. charging by conduction или charging by contact ) происходит стекание части заряда через терминал и соединяющий проводник на листочки фольги.
Листочки фольги заряжаются зарядами ОДНОГО знака и согласно закону Кулона ОТТАЛКИВАЮТСЯ друг от друга, располагаясь в виде буквы "V ".

Также возможен заряд электроскопа посредством электростатической индукции (англ. charging by Induction ).
Явление электростатической индукции заключается в перераспределении зарядов на поверхности проводника или поляризации диэлектрика под действием стороннего электрического поля $E_{ст}$. При этом проводник или диэлектрик приобретают дипольный момент $p$.
При расположении заряженного тела вблизи терминала электроскопа он заряжается зарядом, по знаку противоположному заряду заряженного (влияющего) тела, а листочки - зарядами того же знака.

Изобретен в 1787 году британским физиком Абрахамом Беннетом (англ. Abraham Bennet ). На медную пластинку, к которой прикреплены золотые листочки, он помещал кучку мела в порошке. Если подуть на этот порошок, то порошок приходит в движение, а трение его частиц вызывает электризацию и расхождение листочков электроскопа:

В энциклопедии Брокгауза и Ефрона утверждается, что электроскоп изобрел Вольта:

Разновидностью лепесткового электроскопа является электроскоп Кольбе (изобретатель - Бруно Юльевич Кольбе):

Мой самодельный электроскоп

Как же самому в домашних условиях сделать электроскоп?

Мой электроскоп я изготовил из:
стеклянной банки (1),
пластиковой крышки (2),
двух листочков фольги (3),
отрезков проводов витой пары (4),
винта с гайками (5):

Для проверки работы электроскопа я подключил его к выходу :

При включении источника листочки фольги разошлись в стороны:

Видео эксперимента на :
https://youtu.be/RZRnhTi4lDk

Чем выше напряжение на выходе высоковольтного источника, тем больше угол расхождения листочков фольги.
Я провел опыты с напряжением от 3 до 6 кВ:

Результаты эксперимента:
3 кВ - 33°, 4,5 кВ - 41°, 6 кВ - 48°.

Если выполнить регрессионный анализ (с помощью http://www.xuru.org/rt/lr.asp), то получается следующая линейная зависимость (с коэффициентом корреляции $r=0,9993$, связывающая угол между лепестками электроскопа $\phi$ (в градусах) и напряжение высоковольтного источника $U$ (в кВ):
$$\phi = 5 U + 18,2 $$

В статье "Demonstration experiments in electrostatics: low cost devices " бразильских авторов Alessio Ganci и Salvatore Ganci в качестве источников заряда для электроскопа предложены:

пьезозажигалка;
электрофор;
"игрушечный" генератор Ван-де-Граафа "Fun Fly Stick "

Для увеличения емкости электроскопа можно подключить к терминалу провод, свернутый в виде "улитки", или металлическую пластинку.
В энциклопедии Брокгауза и Ефрона дается совет о подключении конденсатора:

Я разместил на верху винта электроскопа алюминиевый диск, образующий терминал электроскопа:

Для наблюдении эффекта электростатической индукции я использовал эбонитовую палочку (эбонит - высоковулканизированный каучук с большим содержанием серы):

Для сообщения палочке электрического заряда я использовал трибоэлектрический эффект - появление электрических зарядов в материале из-за трения (одно из проявлений контактной электризации).

Материалы, проявляющие трибоэлектрический эффект, располагаются в трибоэлектрическом ряду (triboelectric sequence ) , один конец которого является положительным , а другой - отрицательным . При трении пары материалов зарядится положительно материал, расположенный ближе к положительному концу ряда (другой материал зарядится отрицательно):
Asbestos - асбест
Fur (rabbit) - мех кролика
Glass - стекло
Mica - слюда
Wool - шерсть
Quartz - кварц
Fur (cat) - мех кошки
Lead - свинец
Silk - шелк
Human hair - человеческие волосы
Cotton - хлопок
Wood - дерево
Amber - янтарь
Copper, brass - медь, латунь
Rubber - резина
Sulfur - сера
Celluloid - целлулоид
India rubber - натуральный каучук

Обычно положительно заряжаются материалы с большей диэлектрической проницаемостью (являются донорами электронов) (правило Коэна ) . Но известен парадокс - трибоэлектрическое кольцо - в паре "шёлк-стекло" стекло заряжается отрицательно, а в паре "стекло-цинк" отрицательно заряжается цинк, но в паре "цинк-шёлк" отрицательно заряжается шёлк.

Я зарядил эбонитовую палочку, натерев ее о волосы. При приближении заряженной палочки к терминалу электроскопа лепестки электроскопа расходятся:

Опыты, демонстрирующие знаки зарядов при электростатической индукции

Опыт1

Если к терминалу положительно заряженного электроскопа поднести отрицательно заряженную эбонитовую палочку, то из-за индукции суммарный положительный заряд лепестков уменьшится и они сблизятся

Опыт 2

Если к терминалу отрицательно заряженного электроскопа поднести отрицательно заряженную эбонитовую палочку, то из-за индукции суммарный отрицательный заряд лепестков увеличится и они разойдутся

Опыт3

1 - натертую о волосы (шерсть) и приобревшую при этом отрицательный заряд эбонитовую палочку подносим к терминалу электроскопа - терминал из-за явления электростатической индукции приобретает положительный заряд, а лепестки заряжаются отрицательно и расходятся в стороны (электроскоп поляризуется )
2 - не убирая эбонитовую палочку, пальцем быстро касаемся терминала - отрицательный заряд лепесков стекает с них на тело человека, лепестки сближаются
3 - удаляем палочку и заряженные лепестки расходятся в стороны, так как на них попадает положительный заряд с терминала
4 - при приближении отрицательно заряженной палочки положительно заряженные лепестки сближаются, так как на них индуцируется отрицательный заряд

Также для сообщения электроскопу заряда я использовал бытовую пьезозажигалку:

Разряд электроскопа

При отключении источника питания от электроскопа происходит постепенное "стекание" заряда с электроскопа (посредством ионов воздуха) и лепестки медленно сближаются.

При заземлении отключенного от питания электроскопа происходит практически мгновенный разряд электроскопа.

Советы

Для уменьшения влажности воздуха можно поместить внутрь электроскопа предварительно прокаленные (например, на сковородке) гранулы силикагеля или алюмогеля.

J. B. Calvert (http://mysite.du.edu/~jcalvert/phys/elechome.htm ) рекомендует ставить электроскоп на заземленную проводящую поверхность (или держать его в руках) либо покрывать нижнюю часть электроскопа проводящим материалом. При этом электроскоп представляет собой конденсатор, причем один электрод - это лепестки, а второй - нижняя металлическая обкладка. Емкость такого конденсатора можно измерить мультиметром.

В статье "Build an Electroscope " автора в журнале "Popular Electronics " за июль 1955 года приведены примеры опытов с электроскопом:

Применение электроскопа

Обнаружение статического электричества

В статье "Build an Electroscope " журнала "Popular Electronics " за июль 1955 года указывается, что электроскопы иногда используются в промышленности для обнаружения статических зарядов на бумаге, фотопленке, одежде, листах пластика и т.д., с помощью них проверяют операционные и бензовозы.

Атмосфера

Электроскопы использовались для определения электрического состояния атмосферы.

Радиация

Электроскоп может быть использован для приближенной оценки уровня ионизирующей радиации по скорости схождения листочков (стекания заряда) предварительно заряженного электроскопа (дозиметрический электроскоп - англ. radioscope ).

$\gamma$
Гамма-излучение ионизирует воздух:

O 2 + y = > O 2 + + e -
N 2 + y => N 2 + + e -
Ar + y => Ar + + e -

Воздух начинает проводить электричество и заряд "стекает".

$\beta$
Бета-излучение (высокоэнергетические электроны) заставляют листочки терять положительный заряд.

$\alpha$
Альфа-частицы не проходят через стекло.

Поиск радиоактивных руд
При поисках урановых руд электроскопы использовали для оценки радиоактивности найденных образцов.

Космические лучи

Австрийский исследователь Виктор Гесс (Victor Hess ) в 1911-1913 годах использовал электроскоп Вульфа для оценки уровня ионизирующей радиации в атмосфере (поднимаясь на аэростате) и зафиксировал рост интенсивности ионизации при увеличении высоты подъема (причиной являются космические лучи).

При проведении опытов в такой области, как электростатика, нельзя обойтись без самого примитивного оборудования. Некоторое можно сделать своими руками. К таким приборам относится и электроскоп. Как сделать в домашних условиях такое оборудование?

Общая информация и краткий принцип действия

Что же такое электроскоп и зачем он нужен? Данное устройство способно определять имеющийся электрический заряд. Определить его наличие этот нехитрый прибор сможет, даже если заряд очень слабый. Как сделать электроскоп в домашних условиях, чтобы он не уступал по качеству заводским типам?

Для того чтобы создать качественную вещь, необходимо понимать, как она работает. Основной принцип функционирования устройства лежит в том, что одноименно заряженные тела будут взаимно отталкиваться друг от друга. Это довольно простой и известный закон среди людей, работающих в этой сфере. Так как прибор будет самодельного производства, то в качестве тел будут использоваться либо куски фольги, либо креповой бумаги. Как сделать электроскоп в домашних условиях из фольги и еще нескольких элементов?

Необходимые материалы и краткая инструкция

Для того чтобы изготовить наиболее примитивный вариант прибора, понадобятся следующие предметы:

Первая необходимая вещь - это обычная стеклянная банка.
Второй важный элемент - это гвоздь с малым диаметром. Если такого не имеется, то можно использовать медную проволоку.
Как говорилось ранее, понадобится фольга или же креповая бумага.
Последний необходимый материал - это обычные нитки.

Первое, что нужно сделать, - это проделать отверстие в центре пластиковой крышки от банки. Диаметр отверстия должен соответствовать размеру гвоздя или медной проволоки. После этого нужно вставить металлический стержень, то есть гвоздь или проволоку, в уже имеющееся отверстие. Далее необходимо при помощи ниток примотать фольгу или же креповую бумагу к концу стержня. После этого получившейся крышкой с гвоздем нужно закрыть банку. После этого можно считать, что изготовление прибора завершено.

Один небольшой нюанс, который касается того, кто будет использовать проволоку. Чтобы она удержалась в отверстие и не падала вниз, на конце необходимо сделать небольшую петлю. К ней же нужно прикрепить фольгу при помощи ниток.

Проверить, работает ли устройство, можно довольно просто. Необходимо поднести к стеклянной банке, а именно к шляпке гвоздя, обмотанной фольгой, наэлектризованную расческу. Лепестки фольги начнут отталкиваться. Силу заряда можно определить по тому, насколько сильно друг от друга отталкиваются элементы. Чем больше расстояние, тем сильнее заряд.

Второй вариант

Использовать электроскоп можно не только для того, чтобы проверить силу заряда определенного предмета. Это оборудование также подходит для того, чтобы определить ионизацию воздуха. То есть он может быть использован для проверки радиации. Как уже говорилось ранее, основной принцип действия электроскопа основывается на определенном законе. Тут стоит добавить, что если отградуировать шкалу на таком устройстве, можно точно определить силу заряда. Такие вещи некоторые называют электромерами.

Как изготовить?

Есть еще один способ изготовления, для которого понадобятся такие материалы, как: фольга, прозрачный сосуд, закрывающийся резиновой пробкой, гвоздь, сверло, фен, расческа, нитроцеллюлозный клей.

Первый шаг - проделать отверстие в резиновой пробке, чтобы гвоздь плотно входил в него.

Второй шаг - вырезать из фольги полоску 6 см в длину и 1 см в ширину. Полученная полоска складывается пополам. На месте сгиба проделывается небольшое отверстие при помощи иголки. После этого фольга надевается на металлический стержень под самую шляпку. Чтобы надежно скрепить два элемента, используется клей.

Третий шаг. Края полоски отгибаются таким образом, чтобы обе они смотрели вниз и были параллельны друг другу. Во время вставки гвоздя в пробку важно следить за тем, чтобы он вышел с другой стороны минимум на 3-5 см. Здесь важно отметить, что края фольги ни в коем случае не должны касаться дна колбы, когда пробка будет вставлена.

Четвертый шаг. При помощи фена необходимо изнутри высушить банку. После этого она сразу же закрывается пробкой так, чтобы куски фольги свисали четко вниз.

Вполне возможно смастерить в домашних условиях из подручных материалов? Несложно такое изготовление и на практических уроках физики. В этой статье мы подробно расскажем об одном из таких устройств. Как сделать своими руками электроскоп, читайте далее.