Electroscope

For the 19th century conceptual model of television, see Telectroscope.
Gilbert's versorium

The electroscope is an early scientific instrument used to detect the presence of electric charge on a body. It detects charge by the movement of a test object due to the Coulomb electrostatic force on it. The amount of charge on an object is proportional to its voltage. The accumulation of enough charge to detect with an electroscope requires hundreds or thousands of volts, so electroscopes are used with high voltage sources such as static electricity and electrostatic machines. An electroscope can only give a rough indication of the quantity of charge; an instrument that measures electric charge quantitatively is called an electrometer.

The electroscope was the first electrical measuring instrument. The first electroscope was a pivoted needle (called the versorium), invented by British physician William Gilbert around 1600.[1][2] The pith-ball electroscope and the gold-leaf electroscope are two classical types of electroscope[2] that are still used in physics education to demonstrate the principles of electrostatics. A type of electroscope is also used in the quartz fiber radiation dosimeter. Electroscopes were used by the Austrian scientist Victor Hess in the discovery of cosmic rays.

Pith-ball electroscope

Pith ball electroscope from the 1870s, showing attraction to charged object
How it works

In 1731, Stephen Gray used a simple hanging thread, which would be attracted to any nearby charged object. This was the first improvement on Gilbert's versorium from 1600.[3]

The pith-ball electroscope, invented by British schoolmaster and physicist John Canton in 1754, consists of one or two small balls of a lightweight nonconductive substance, originally a spongy plant material called pith,[4] suspended by silk or linen thread from the hook of an insulated stand.[5] Tiberius Cavallo made an electroscope in 1770 with pith balls at the end of silver wires.[3] Modern electroscopes usually use balls made of plastic. In order to test the presence of a charge on an object, the object is brought near to the uncharged pith ball. If the object is charged, the ball will be attracted to it and move toward it.

그 매력은 피스볼 내부의 원자의 유도된[6] 양극화 때문에 발생한다.[7][8][9][10] 모든 물질은 서로 가까이 위치한 전기로 충전된 입자로 구성된다. 각 원자는 음으로 충전된 전자의 구름과 함께 양으로 충전된 핵으로 구성된다. 피스는 비전도체여서 공 속의 전자는 피스의 원자에 묶여 있고 원자를 떠나 공 안에서 자유롭게 움직일 수는 없지만 원자들 안에서 조금 움직일 수는 있다. 오른쪽의 다이어그램을 참조하십시오. 예를 들어, 양전하 물체(B)가 피스볼(A) 근처에 있으면, 각 원자(노란색 난자)의 음전자(파란색 마이너스 기호)가 끌어당겨 물체 가까이 있는 원자의 측면 쪽으로 약간 이동하게 된다. 양극으로 충전된 핵(빨간색 플러스 기호)은 물리치고 약간 멀리 이동하게 된다. 피스볼에 있는 음전하가 현재 양성전하(C)보다 물체에 가까우므로, 이들의 매력은 양성전하의 반발보다 더 커 순 매력전하를 낳는다.[7] 이 전하 분리는 미세하지만, 원자가 너무 많기 때문에 작은 힘들은 가벼운 피스볼을 움직일 수 있을 만큼 큰 힘을 더한다.

피스볼은 충전된 물체에 닿아 충전할 수 있으므로 충전된 물체의 표면에 있는 전하 중 일부는 공의 표면으로 이동한다. 그러면 공은 동일한 극성으로 충전된 물체에 의해 물리치거나 서명되지만 반대 극성의 전하로 끌리기 때문에 다른 물체에 대한 전하의 극성을 구별하는 데 사용될 수 있다.

종종 전기 스코프는 한 쌍의 매달린 피스볼을 가지고 있다. 이를 통해 피스볼 충전 여부를 한눈에 알 수 있다. 피스볼 중 하나가 충전된 물체에 닿아 충전하면 두 번째 물체가 끌어당겨 만져지고, 충전물의 일부를 두 번째 공의 표면에 전달한다. 이제 두 공은 극성 전하가 같으므로 서로 밀어낸다. 그들은 공을 벌린 채 거꾸로 된 'V'자 모양으로 매달려 있다. 공 사이의 거리는 전하의 크기를 대략 알 수 있을 것이다.

금잎전기경

정전기 유도를 보여주는 금박 전기 스코프
정전기 유도를 보여주기 위해 전기 스코프를 사용한다. 충전된 수지(-) 로드가 상단 볼 단자에 닿으면 전자가 기둥을 통해 바늘로 내려간다. 따라서 포스트는 바늘을 밀어내 시계 반대 방향으로 돌린다. 단자 근처에 있는 충전된 로드는 공에서 기둥과 바늘로, 또는 시승기를 통해 지면으로 신호를 보낸다. 충전된 막대를 제거하면 전하가 바늘에서 퍼지고 볼에 붙는다. 따라서 바늘과 포스트는 이전보다 전하가 적어 접촉 충전 후보다 바늘이 덜 꺾인다.

금잎 전기 스코프는 1787년 영국의 성직자와 물리학자 아브라함 베넷에 의해 개발되었는데,[4] 당시 사용되던 피스볼이나 짚날 전기 스코프보다 더 민감한 도구로 사용되었다.[11] 그것은 대개 놋쇠로 된 수직 금속 막대로 구성되며, 그 끝에서 두 개의 얇은 유연한 금 잎을 평행하게 매달아 놓는다. 디스크나 볼 단자는 로드 상단에 부착되며, 여기서 시험할 전하가 적용된다.[11] 금 잎을 공기 흐름으로부터 보호하기 위해 그것들은 유리병에 싸여져 있고, 보통 바닥에 열려 있고 전도성 기저부 위에 장착된다. 병에는 종종 양쪽에 금박잎을 나란히 하여 접지된 금속판이나 호일 조각이 있다. 이는 안전 대책으로, 섬세한 금박에 과도한 전하를 가하면 접지판에 닿아 찢기 전에 배출된다. 유리벽에 쌓인 공기를 통해 누출되는 전하를 포착해 기구의 감도를 높인다. 정밀 기기에서는 공기의 이온화를 통해 단자의 전하가 새지 않도록 병 내부를 가끔 대피시켰다.

충전된 물체로 금속 단자를 만지면 금박은 반전된 'V'로 갈라진다. 물체에서 나오는 전하의 일부는 단자와 금속 막대를 통해 잎에 전달되기 때문이다.[11] 잎은 같은 부호를 받기 때문에 서로 밀어내고 갈라진다. 단자를 손가락으로 만져서 접지하면 전하가 인체를 통해 지구로 전달되고 금박은 서로 가깝게 붙어 있게 된다.

The electroscope leaves can also be charged without touching a charged object to the terminal, by electrostatic induction. As the charged object is brought near the electroscope terminal, the leaves spread apart, because the electric field from the object induces a charge in the conductive electroscope rod and leaves, and the charged leaves repel each other. The opposite-sign charge is attracted to the nearby object and collects on the terminal disk, while the same-sign charge is repelled from the object and collects on the leaves (but only as much as left the terminal), so the leaves repel each other. If the electroscope is grounded while the charged object is nearby, by touching it momentarily with a finger, the repelled same-sign charges travel through the contact to ground, leaving the electroscope with a net charge having the opposite sign as the object. The leaves initially hang down free because the net charge is concentrated at the terminal end. When the charged object is moved away, the charge at the terminal spreads into the leaves, causing them to spread apart again

  • Gold-leaf electroscopes

  • Condensing electroscope, Rome University physics dept.

  • Electroscope from about 1910 with grounding electrodes inside jar, as described above

  • Homemade electroscope, 1900

See also

Footnotes

  1. ^ Gilbert, William; Edward Wright (1893). On the Lodestone and Magnetic Bodies. John Wiley & Sons. p. 79. a translation by P. Fleury Mottelay of William Gilbert (1600) Die Magnete, London
  2. ^ a b Fleming, John Ambrose (1911). "Electroscope" . In Chisholm, Hugh (ed.). Encyclopædia Britannica. 9 (11th ed.). Cambridge University Press. p. 239.
  3. ^ a b Baigrie, Brian (2007). Electricity and magnetism: A historical perspective. Westport, CT: Greenwood Press. p. 33.
  4. ^ a b Derry, Thomas K.; Williams, Trevor (1993) [1961]. A Short History of Technology: from Earliest Times to A.D. 1900. Dover. p. 609. ISBN 0-486-27472-1. p. 609
  5. ^ Elliott, P. (1999). "Abraham Bennet F.R.S. (1749–1799): a provincial electrician in eighteenth-century England" (PDF). Notes and Records of the Royal Society of London. 53 (1): 61. doi:10.1098/rsnr.1999.0063. JSTOR 531928. S2CID 144062032.
  6. ^ Sherwood, Bruce A.; Ruth W. Chabay (2011). Matter and Interactions (3rd ed.). US: John Wiley and Sons. pp. 594–596. ISBN 978-0-470-50347-8.
  7. ^ a b Kaplan MCAT Physics 2010–2011. USA: Kaplan Publishing. 2009. p. 329. ISBN 978-1-4277-9875-6. Archived from the original on 2014-01-31.
  8. ^ Paul E. Tippens, Electric Charge and Electric Force, Powerpoint presentation, pp. 27–28, 2009, S. Polytechnic State Univ. Archived April 19, 2012, at the Wayback Machine on DocStoc.com website
  9. ^ Henderson, Tom (2011). "Charge and Charge Interactions". Static Electricity, Lesson 1. The Physics Classroom. Retrieved 2012-01-01.
  10. ^ Winn, Will Winn (2010). Introduction to Understandable Physics Vol. 3: Electricity, Magnetism and Light. US: Author House. p. 20.4. ISBN 978-1-4520-1590-3.
  11. ^ a b c *[Anon.] (2001) "Electroscope", Encyclopaedia Britannica

외부 링크