§ 28. Электроскоп. Проводники и непроводники электричества

янтарь и skopeo — наблюдаю, смотрю) — простейший физический прибор, предназначенный для обнаружения наличия электрического заряда на теле и приблизительной оценки его величины.

• 1. Устройство — стеклянный корпус (банка), металлический стержень, проходящий сквозь изолирующую пробку, и подвешенные к нижнему концу стержня два тонких лёгких листочка из металлической фольги или тонкой бумаги.
• 2. Принцип действия — при сообщении стержню заряда листочки заряжаются одноимённо и отталкиваются друг от друга; угол расхождения листочков тем больше, чем больше сообщённый заряд.

электроизмерительный демонстрационный прибор, служащий для количественного измерения электрического потенциала и степени наэлектризованности тел.

• 1. Конструктивное отличие — вместо гибких листочков на металлическом стержне закреплена лёгкая подвижная металлическая стрелка, отклоняющаяся на фоне градуированной шкалы внутри круглого металлического корпуса со стеклянными стенками.

вещества и материалы, содержащие огромное количество свободных носителей электрического заряда (свободных электронов или ионов), способных свободно перемещаться по всему объёму тела под действием внешнего электрического поля.

• 1. Примеры — все металлы (медь, алюминий, серебро, железо), водные растворы и расплавы солей, кислот и щелочей (электролиты), графит, тело человека, влажная почва.

вещества и материалы, в которых практически отсутствуют свободные электрические заряды (все электроны прочно связаны со своими атомами и молекулами), вследствие чего они не проводят электрический ток.

• 1. Примеры — эбонит, янтарь, фарфор, стекло, шёлк, резина, пластмассы, капрон, парафин, сухое дерево, дистиллированная вода, сухой воздух и газы при нормальном давлении.

широкий класс веществ, удельная электрическая проводимость которых занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками и чрезвычайно сильно зависит от внешних условий (температуры, освещённости, наличия микропримесей).

• 1. Примеры и особенности — кремний ($\text{Si}$), германий ($\text{Ge}$), селен ($\text{Se}$), арсенид галлия ($\text{GaAs}$). При низких температурах в темноте ведут себя как изоляторы, а при нагревании или освещении их проводимость резко возрастает.

электрическое соединение проводящего тела с массивным проводником — Землёй (почвой) посредством металлического провода.

• 1. Физический механизм — поскольку ёмкость земного шара практически безгранична по сравнению с любым телом, при заземлении практически весь избыточный электрический заряд переходит в Землю, и потенциал тела становится равным нулю.

При соприкосновении наэлектризованного тела с другим телом (незаряженным или заряженным) происходит перераспределение электрического заряда:

• Часть заряда наэлектризованного тела переходит на второе тело.
• Если соединить проводником заряженное тело с точно таким же незаряженным проводящим телом одинаковой формы и размеров, исходный заряд разделится ровно пополам.
• Если же заряженное тело привести в соприкосновение с телом огромных размеров (например, телом человека или Землёй), практически весь заряд уйдёт в это большое тело, и исходный предмет полностью разрядится.

Принцип действия электроскопа основан на фундаментальном законе электростатики — взаимном отталкивании одноимённых электрических зарядов:

• При касании верхнего конца металлического стержня заряженным телом электрический заряд переходит по проводящему стержню к двум подвижным лепесткам (листочкам фольги).
• Оба листочка приобретают заряд одного и того же знака (оба положительный или оба отрицательный).
• В результате кулоновского отталкивания листочки расходятся в стороны на некоторый угол. Чем больше сообщённый заряд, тем сильнее сила отталкивания и тем больше угол расхождения листочков.

• Общее:
• Оба прибора служат для обнаружения электрического заряда и демонстрации электризации тел.
• В основе работы обоих лежит явление взаимного отталкивания одноимённо заряженных проводников.
• Оба имеют проводящий металлический стержень, изолированный от корпуса диэлектрической втулкой.
• Различия:
• Индикаторный элемент: в электроскопе используются тонкие гибкие лепестки (листочки из фольги или бумаги), а в электрометре — жёсткая лёгкая металлическая стрелка, способная вращаться на горизонтальной оси стержня.
• Точность и шкала: электроскоп является чисто качественным прибором («есть заряд или нет»), тогда как электрометр оснащён градуированной шкалой, позволяющей количественно измерять и сравнивать величину заряда или разность потенциалов.
• Корпус: корпус электрометра металлический (со стеклянными торцевыми крышками), что экранирует внутреннюю систему от внешних электростатических помех.

Вещества разделяются по их способности передавать (проводить) электрический заряд, что обусловлено наличием или отсутствием в них свободных носителей заряда:

• 1) Проводники — содержат свободные заряды (электроны в металлах, ионы в растворах), легко передают заряд по всему своему объёму и от одного тела к другому. Примеры: медь, серебро, железо, алюминий, растворы кислот и солей, влажная почва, человеческое тело.
• 2) Диэлектрики (изоляторы) — не содержат свободных зарядов (электроны прочно связаны с ядрами), не способны передавать заряд. Заряд, сообщённый диэлектрику, остаётся локализованным в месте прикосновения. Примеры: янтарь, фарфор, эбонит, стекло, резина, пластмасса, сухой воздух, шёлк, дистиллированная вода.
• 3) Полупроводники — занимают промежуточное положение; при обычных условиях являются диэлектриками, но при нагревании, освещении или внесении примесей в них появляются свободные носители заряда, и они становятся проводниками. Примеры: кремний, германий, селен, теллур.

• Что произойдёт: Тот шарик, к которому прикоснулись рукой, мгновенно разрядится (отдаст свой заряд через тело человека в Землю). Однако сразу после этого незаряженный шарик притянется ко второму, всё ещё положительно заряженному шарику. В момент их соприкосновения оставшийся положительный заряд второго шарика разделится поровну между обоими металлическими шариками. Получив снова одноимённые положительные заряды (но вдвое меньшие по величине), шарики вновь оттолкнутся друг от друга, разойдясь на меньший угол, чем вначале.
• Физическая причина:
• Тело человека является проводником огромной ёмкости по сравнению с шариком — прикосновение заземляет шарик.
• Заряженное тело притягивает нейтральный металлический проводник за счёт перераспределения свободных электронов (электростатической индукции).
• Соприкосновение одинаковых проводников делит суммарный заряд пополам, приводя к повторному кулоновскому отталкиванию.