Экспериментальная часть

Приборы и обо­ру­до­ва­ние: электрометр с заземлённым корпусом, проводники (металлические шары), круглые пластины, цилиндрический конденсатор (коаксиальный кабель), два диэлектрических тела (пластмассовая линейка и целлюлоза).

Описание установки и методика эксперимента

О сновной частью прибора является электрометр (рис.22.6). Электрометр представляет собой цилиндрический застекленный с обеих сторон металлический корпус 1, укрепленный на изолирующей подставке 2. Через изолирующую втулку 3 внутрь корпуса проходит металлическая трубка 4, заканчивающаяся стержнем 5 с установленной на нем стрелкой-указателем 6 (рис.22.7). На заднее матовое стекло нанесена шкала 7 с делениями.

Если электрометр зарядить, стержень 5 и стрелка-указатель 6 получат одноимённый заряд. Следовательно, они будут отталкиваться, и стрелка поворачивается на тот или иной угол в зависимости от величины сообщённого заряда. При отсутствии заряда стрелка возвращается в исходное вертикальное положение, так как точка подвеса стрелки находится выше центра тяжести.

Внешний вид установки и её схематическое изображение представлены на рисунках (рис.22.8) и (рис.22.9).

В лабораторной установке электрометр 4 заключён в заземлённый корпус 5, соединённый с корпусом электрометра. Стержень электрометра 6 пропущен через изолирующую пробку 7 и соединён с пластиной 1, находящейся вне прибора.

Электрометр в лабораторной установке усовершенствован:

1) сделана теневая шкала 8, по которой можно количественно измерить угол отклонения стрелки электрометра;

2) шкала проградуирована; с помощью градуировочной таблицы 22.5 по углу отклонения стрелки электрометра можно определить напряжение U между корпусом (землёй) и стрелкой прибора.

Зарядка установки

Для зарядки установки используется явление электростатической индукции.

П однесём к пластине 1 незаряженного электрометра заряженное, например, положительным зарядом тело (рис.22.10). Стрелка электрометра отклонится. Выясним причину отклонения стрелки такого незаряженного электрометра. Стрелка, стержень и пластина 1 являются проводниками, в них присутствуют свободные электроны. Когда мы подносим положительный заряд к пластине, свободные электроны будут притягиваться к этому заряду и перемещаться на более близкое расстояние к заряду, в результате чего на пластине окажется избыточный отрицательный заряд. В нижней же части электрометра, то есть в стрелке и в нижней части стержня, будет избыточный положительный заряд. Поэтому стрелка и будет отталкиваться от стержня.

Если теперь избыточный отрицательный заряд пластины снять, на короткое время прикоснувшись к ней рукой, заряд электрометра в целом окажется положительным (отклонение стрелки при этом станет равным нулю). После этого положительно заряженное тело можно убрать и убедиться в том, что электрометр заряжен: стрелка отклонена.

Методика определения ёмкости установки

П ластина 1 вместе с корпусом 5 образуют конденсатор ёмкостью С_УСТ., так как изолированы друг от друга. Ёмкость установки С_УСТ. Можно определить с помощью плоского конденсатора ёмкостью С_ПЛ., который получится, если на пластину 1 установки положить пластину 2 с изолирующими ножками высотой d (рис.22.11). Поскольку пластина 2 заземлена, то конденсаторы С_УСТ. и С_ПЛ. окажутся соединены параллельно (докажите это!), и общая ёмкость равна сумме ёмкостей:

.

Полный заряд системы установка – плоский конденсатор сохранится, тогда

, (22.12)

где U₀ – напряжение на установке без дополнительной пластины 2, U₁ – напряжение на установке после того, как на пластину 1 положили пластину 2. Из (22.12) получим расчётную формулу:

. (22.13)