淺談驗電器與靜電計的差異

彭勁博

長沙市長郡梅溪湖中學(xué)

淺談驗電器與靜電計的差異

彭勁博

長沙市長郡梅溪湖中學(xué)

在高中階段物理課程中，會學(xué)習(xí)到驗電器和靜電計這兩個形狀類似的實驗儀器，在學(xué)習(xí)過程中常常會將二者混淆。而這兩種儀器看似相同，其實無論是在構(gòu)造、原理還是功能用途上都存在著較大的差異。本文針對驗電器與靜電計在構(gòu)造、原理以及功能用途上的差異進行了探討。

驗電器；靜電計；構(gòu)造差異；功能差異

在學(xué)習(xí)電場特性這一課程內(nèi)容時，涉及的驗電器與靜電計這兩種關(guān)鍵實驗儀器，因在形狀上較為相似，不僅容易產(chǎn)生混淆，還會在學(xué)習(xí)中生出諸如“驗電器和靜電計用途相同”等錯誤認識。因而分析辨別驗電器與靜電計本質(zhì)上的差異，對于理解和掌握電場特性這一知識具有重要作用。

一、驗電器與靜電計在構(gòu)造上的差異

（一）驗電器

金箔驗電器是最為常用也是最簡單的驗電器，主要被用于檢測物體帶電與否。驗電器構(gòu)造如圖1所示，驗電器實物如圖2所示

圖1　驗電器構(gòu)造圖

圖2　驗電器實物圖

從圖1和圖2中可清晰地看出驗電器的主要構(gòu)造。在驗電器頂端通常使用金屬球（或者使用金屬板），金屬球下方連接一根金屬桿，金屬桿插入玻璃器皿內(nèi)，在金屬桿下端掛有兩片金屬箔，此處應(yīng)注意金屬桿下端與金屬箔是需要整個被封裝于玻璃器皿內(nèi)的。當帶電物體接觸驗電器上方金屬小球時，金屬箔片會因同性電荷相互排斥向兩側(cè)張開。金屬箔和金屬桿被封存于玻璃器皿中，一是為了方便觀察，二是為了防止氣流產(chǎn)生干擾。此外，金屬桿與玻璃器皿相接處需要使用絕緣物防止二者發(fā)生接觸。

（二）靜電計

靜電計主要被用于電勢差的測量。圖3為靜電計構(gòu)造圖，圖4為靜電計實物圖。

圖3　靜電計構(gòu)造圖

圖4　靜電計實物圖

觀察圖3和圖4可以清晰看出靜電計的基本構(gòu)造。通常靜電計使用圓形金屬外殼，并在金屬外殼前方或后方裝有帶刻度的透明玻璃。圓形金屬外殼上方與底座都采用絕緣物質(zhì)，金屬桿從外殼上方絕緣物質(zhì)處插入殼內(nèi)，金屬桿上端為金屬小球，金屬指針被裝于金屬桿下端垂直方向，并可以被水平轉(zhuǎn)動。通常情況下，靜電計底座有接線柱，用于連接其他導(dǎo)體或直接接地。靜電計是一種特殊的電容器［1］。

二、驗電器與靜電計在工作原理上的差異

（一）驗電器工作原理

驗電器的工作原理相對簡單，若與驗電器金屬球接觸的物體帶電，電荷經(jīng)金屬球傳至金屬桿下端的金屬箔片，在相同電荷互相排斥的作用，金屬箔片會張開。驗電器是從力的角度，檢驗物體是否帶電以及帶電情況。

（二）靜電計工作原理

靜電計的工作原理相對復(fù)雜一些。靜電計的金屬外殼與金屬桿以及金屬指針始終處于絕緣狀態(tài)，可將二者視作電容器的兩個電極，也可以將金屬指針、金屬桿以及金屬外殼三者構(gòu)成的靜電計視為特殊的電容器。這個特殊電容器由金屬指針及金屬桿的位置、長短和金屬外殼上的刻度尺寸決定其電容的大小。由于靜電計的電容幾乎不受金屬指針偏轉(zhuǎn)角變化的影響，因而可認為靜電計的電容量在金屬指針轉(zhuǎn)動過程中大致保持不變，當靜電計連接一帶電量為+Q的帶電體時，此時的金屬桿與金屬指針帶正電，金屬外殼內(nèi)表面出現(xiàn)的感應(yīng)電荷為負，從而會在金屬外殼與金屬桿之間產(chǎn)生電場。受電場力的作用，金屬指針表面的電荷使指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。被測物體帶電量越大，靜電計內(nèi)形成的電力場越強，金屬指針受電力場作用就越大，偏轉(zhuǎn)角度就越大。根據(jù)公式Q=CU可知，當靜電計電容C固定不變時，靜電計兩個電極的電勢差U與其帶電量Q成正比例關(guān)系，即U越大，Q越大。因此，靜電計兩極間電勢差的大小可通過其金屬指針的張角大小反映［2］。

三、驗電器與靜電計功能用途上的差異

（一）驗電器的功能用途

1、檢驗物體帶電與否。將物體與驗電器上的金屬球接觸，若物體本身帶電，則會有部分電荷被傳至兩片金屬箔上。由于金屬箔所帶電荷相同，根據(jù)同性電荷相排斥定理，金屬箔片會張開，物體所帶電荷越大，金屬箔片張角越大。若金屬箔片沒有發(fā)生變化，則說明該物體本身不帶電。2、檢驗物體所帶電性。將已知帶電物體與驗電器金屬球接觸，若金屬箔片張角增大，則說明物體帶正電，若金屬箔片張角變小，則表明物體帶負電。

（二）靜電計的功能用途

1、定量測量電勢。將靜電計金屬外殼接地，再將被測物體與靜電計金屬球連接，地與導(dǎo)體之間的電勢差就是金屬指針所指刻度，設(shè)地的電勢為0，則指針所指讀數(shù)就是被測物體的電勢。2、定量測量電勢差。將被測量物體用導(dǎo)線分別與靜電計金屬外殼和金屬球連接，根據(jù)金屬指針所指的刻度位置，可得出定量條件下，金屬外殼與金屬指針之間的電勢差。3、測量直流電路中的電勢差。靜電計本身就是一種特殊的由金屬桿、金屬指針、金屬外殼所組成的電容器，如果在直流電路中電勢差不等于0的兩點并聯(lián)靜電計，靜電計會發(fā)生充電現(xiàn)象，金屬指針則會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。但直流電路在實際情況下其電壓較小，能夠使靜電計所帶電量十分有限，金屬指針的偏角幾乎不會受其影響而發(fā)生變化。靜電計上的刻度單位通常是以靜伏（1靜伏=300伏）表示，因而靜電計的金屬指針不會受一般的直流電壓影響而發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)。若將靜電計與300伏以上的直流電路金屬指針相連，則會發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)。因而直流電路中的電勢差可以用靜電計進行測量。

綜上所述，就構(gòu)造而言，驗電器由金屬球、金屬桿以及金屬箔片組成的孤立導(dǎo)體。而靜電計是由金屬球、金屬桿、金屬指針以及金屬外殼組成的特殊電容器。就工作原理而言，驗電器金屬箔片張開是受相同電荷相互排斥的作用。靜電計金屬指針發(fā)生偏移是受電場力的作用。就功能用途而言，驗電器和靜電計都可被用于檢測物體是否帶電，但驗電器相較于靜電計更為靈敏。定量測量兩物體的電勢差只能使用靜電計，靜電計可作為驗電器使用，但驗電器不能被作為靜電計使用［3］。

結(jié)束語

經(jīng)過對驗電器和靜電計構(gòu)造、工作原理以及功能用途的探討，可以清晰理解二者之間的差別。在以后的物理實驗過程中，就不會再將驗電器和靜電計混淆，從而有效避免錯誤發(fā)生。

［1］余建剛.淺談驗電器與靜電計的差異［J］.教學(xué)儀器與實驗，2015，01∶27-28.

［2］王春旺.驗電器與靜電計的差異［J］.數(shù)理天地（高中版），容易混淆的實驗儀器辨析.2012，08∶25+27.