Question

静电计测电压原理是什么？

Answer 1

物理教材中提到静电计是在验电器的基础上制成的，用来测量电势差。把它的金属球跟一个导体连接，把它的金属外壳跟另一个导体连接（或同时接地），从指针的偏转角度就可以测出两个导体间的电势差。对于其中的原理书中没有过多的解释，现结合验电器的原理作以下探讨。\x0d\x0a\x0d\x0a验电器的是根据同种电荷相互排斥的原理制成的，让验电器的金属小球带上点，通过金属杆与金属小球相连的两个金属箔片也会带上同种电荷。同种电荷互相排斥，金属箔片就会张开一定的角度。带电小球带的电量越多，金属箔片带的电量也越多，排斥力就越大，张角也就越大。静电计根据验电器的原理，加以改造，可根据张角的大小来判断电压的大小。\x0d\x0a\x0d\x0a如右图所示，验电器与静电计在结构上基本相同，与验电器相比，静电计上的两个金属箔其中一个固定（如右图中粗线所示），另一个可以自由张开（作为测电压大小的指针），在加上刻度盘，就成了静电计。与验电器张角大小的原理一致，静电计张角的大小反映的是“金属箔”带电的多少，即张角的大小由“金属箔”带电的多少决定。但静电计又如何反映出电压的大小，可结合验电器从静电感应的角度作出解释：\x0d\x0a\x0d\x0a验电器的金属箔带电，可能是验电器本身的金属小球带电，然后传给金属箔，使其有一定的张角。若验电器本身带的电越多，则张角越大。另外如发生静电感应，也可使金属箔张角发生变化。如右图，如让一带正电小球靠近验电器的金属小球，由于静电感应，验电器的金属小球就会带上负电荷，而金属箔带上正电荷，验电器也会张开一角度。若带电小球离验电器的金属小球越近，则静电感应越强，验电器的金属小球带的负电荷与金属箔带的正电荷都会增加，金属箔的张角也就越大。\x0d\x0a\x0d\x0a电容器的两个极板也存在着静电感应，如果两极板的距离增大，两极板的静电感应势必减弱，这样电容器B板右侧所带的正电量+Q会减少+△Q，减少的部分电量+△Q传给大地，A板左侧所带的负电荷-Q也会减少相应的-△Q，减少的部分电量-△Q只能传给静电计的金属箔，由于金属箔所带的电量增加-△Q，总电量变为-(q+△Q)这样金属箔的张角变大，对应着电容器两极板间距离增大，电容C减小，电压U变大。同理，若减小两极板的距离，极板间的静电感应将增强，电容器B板右侧的正电量会增加+△Q，增加的部分电量+△Q是从大地传给的，而A板左侧的负电荷也会增加相应的-△Q，增加的电量-△Q，只能是静电计的金属箔传给的，这样金属箔所带的电量减少-△Q，总电量变为-(q-△Q)张角将变小，对应着电容器两极板间距离减小，电容C变大，电压U减小。\x0d\x0a\x0d\x0a对电容器所带电量的讨论：通过上面的分析可以看出，电容器间的距离发生变化时，由于B板接地，结合静电感应的变化，电容器B板上的净电量+Q会发生变化，A板上的净电量-Q也会发生变化，会相应地增加或减少△Q。对于B板△Q是在B板的右侧面上与大地之间发生转移，对于A板△Q是在A板左侧与静电计的“金属箔”上发生转移。但△Q值应该非常小（因为静电计的”金属箔”本身所能带的电量是很小的），也就是电容器上的电量有微弱的变化，不是很显著。但这点微弱的电量变化对“金属箔”的张角的影响确是不可以忽略的。