在高中物理電場中,有兩個形狀很相似的實驗儀器驗電器和靜電計,驗電器的作用是檢驗帶電體是否帶電,而靜電計的作用是測量電勢差,這讓許多學生產生了疑惑,這兩個看似相同的實驗儀器怎么會在工作時有如此大的區別,它們的工作原理又是什么?帶著這樣的疑問我們一起來認識它們。

一、驗電器

它的工作原理我們比較好理解。當帶電體用導線與驗電器聯結時,金屬桿便成為帶電導體、金屬桿、金屬箔本身所組成的整體的一部分。達到靜電平衡時,金屬桿和金箔將從帶電體上分得同種電荷。根據同種電荷相斥原理,金屬箔將張開一定的夾角,而且金屬箔上的帶電越多,張開的角度就越大。

二、靜電計

當靜電計的金屬桿同帶電體相連時,金屬桿和金箔與導體成等勢體,即具有相同的電勢。同時使金箔上帶上了同種電荷,金箔的張角本是由它上面的帶電量多少來決定,金箔上的帶電量多,則張角就大。但對與靜電計來說,金屬瓶常接地,電勢為零,當金屬桿和金箔帶電后,由于靜電感應使金屬瓶的內表面帶上與金屬桿及金箔幾乎等量的異號電荷。因此金屬桿和金屬瓶左右內壁組成了兩個特殊的電容器,它們具有一定的電容,并處于并聯的關系。當靜電計帶電后,相當于電容器充了電,靜電計內就會形成電場,如果我們把這電場看成是勻強電場,場強由此,我們可以知道在認為靜電計中的電場為勻強電場的前提下,靜電計金箔的張角與電勢差的關系并不成正比,因此我們只能說,電勢差越大張角也越大。

三、驗電器與靜電計的區別及

1.從結構上看:

驗電器主要由金屬球、金屬桿和金箔三部分組成,它們成為了一個孤立導體,與外界沒有接觸。而靜電計的主要部分是有金屬球、金屬桿、金箔和金屬外殼構成,金屬球、金屬桿和金箔連接成了一體,金屬外殼與地球又連接成了一體,而這兩體就組成了一個電容器,在金屬殼內會產生分布不均勻的電場。

2.從原理上看:

驗電器的工作原理是由于金屬桿和金箔中帶有同種電荷,由于同種電荷相互排斥,因此是電荷之間的庫侖力使金箔張開。而驗電器工作時,由于在金屬桿和金屬外殼上形成了異種電荷,金屬外殼內就形成了電場,

而金箔中的電荷正是由于受到了電場力的作用,才使金箔張角發生了變化。

3.從功能上看:

驗電器主要功能是檢驗導體是否帶電,一般情況下,驗電器不能測量帶電導體的電量多少,不能測量電勢差;而靜電計的功能主要是測量電勢差,當然也可以用作驗電器,來檢驗接觸導體是否帶電。

驗電器和靜電計是研究靜電場特性的兩種重要實驗儀器，但對于這兩種儀器在結構和作用方面的異同，多數學生并不十分清楚，甚至存在一些誤解。例如認為“只要把驗電器的金屬箔換成金屬指針就變成了靜電計”，驗電器可以用來檢驗和比較不同帶電體所帶電量的多少”，“靜電計不能用來測量直流電路中的電勢差”等。對于這些似是而非的認識，有的老師的認識也是模棱兩可，說不清楚。為了澄清上述問題，本文對這兩種儀器在結構和作用方面的差異作簡要辯析。