如何理解“靜電計(jì)”

靜電計(jì)是一種很少用的電學(xué)儀器，是高考不作要求的一種演示實(shí)驗(yàn)器材。因此，對(duì)很多教師來說，靜電計(jì)是“匆匆相逢不相識(shí)”的“匆匆過客”，仔細(xì)分析可知靜電計(jì)既是電容器，又是驗(yàn)電器，同時(shí)它還是電壓表。

一、靜電計(jì)是一個(gè)“電容器”

如圖1是一個(gè)靜電計(jì)構(gòu)造示意圖，其中①是金屬球，②是金屬桿，③是指針， ④是金屬外殼，⑤是絕膠環(huán)，⑥是絕緣底座。我們從靜電計(jì)的結(jié)構(gòu)可以看出：金屬桿及指針與金屬外殼是相互靠近又彼此絕緣的金屬導(dǎo)體，構(gòu)成了一個(gè)電容器。但由于正對(duì)面積小、距離大，電介質(zhì)又是空氣，所以靜電計(jì)是一個(gè)電容很小的電容器。指針偏轉(zhuǎn)帶來的變化很小，因此靜電計(jì)的電容是一個(gè)不變的常數(shù)。

二、靜電計(jì)是一個(gè)“驗(yàn)電器”

當(dāng)靜電計(jì)接上一定電壓時(shí)，金屬桿和指針都帶同一種電荷，它們相互排斥，指針偏轉(zhuǎn)一定角度。指針偏轉(zhuǎn)角度越大，說明靜電計(jì)的電荷量越大，因此靜電計(jì)又是一個(gè)驗(yàn)電器。那么靜電計(jì)與驗(yàn)電器是否完全相同呢？有什么區(qū)別與聯(lián)系嗎？請(qǐng)看下面的表一：

三、靜電計(jì)是一個(gè)“電壓表”

靜電計(jì)指針的偏角取決于它的帶電量，而靜電計(jì)的帶電量與它的電壓成正比。因此，靜電計(jì)指針的偏角大小就反映了它所測(cè)的電壓大小。從這種角度看靜電計(jì)又是一個(gè)“電壓表”。那么靜電計(jì)與電壓表又有什么區(qū)別和聯(lián)系呢？請(qǐng)看下面的對(duì)比分析表二：

四、靜電計(jì)的測(cè)量原理

如圖2所示，被測(cè)電容器a、b兩板構(gòu)成的平行板電容器，電量為Q，電壓為U。當(dāng)靜電計(jì)與之并聯(lián)時(shí)有一部分電荷流向靜電計(jì)，使靜電計(jì)的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，直到電壓相等時(shí)電荷停止流向靜電計(jì)，這時(shí)指針偏角不變。

當(dāng)靜電計(jì)與被測(cè)電容器并聯(lián)時(shí)，被測(cè)電容器的電量減小，電壓也隨之減小，靜電計(jì)顯示的電壓要比原來沒有并聯(lián)靜電計(jì)的電壓小。但由于靜電計(jì)的電容很小，被測(cè)電容器的電量、電壓的變化也很小，因此可以認(rèn)為靜電計(jì)顯示的電壓就是我們需要測(cè)量的被測(cè)電容的電壓。

五、演示實(shí)驗(yàn)分析

如果像教材中的“演示實(shí)驗(yàn)”那樣保持b板不動(dòng)，把a(bǔ)板左移，兩板間的距離增大，a，b兩板的正負(fù)電荷之間的相互作用減弱。又有一小部分電荷向靜電計(jì)轉(zhuǎn)移，使靜電計(jì)的帶電量增加，指針偏角增大，由q=CU可知靜電計(jì)的電壓增大，即被測(cè)電容器兩板間電壓增大。因?yàn)楸粶y(cè)電容器的電量不變，所以可推知平行板電容器的電容減小了。這樣就得到了這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)的結(jié)論：平行板電容器的板間距離增大，它的電容減小。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，能把靜電計(jì)換成電壓表嗎？如果換成電壓表，在a、b兩板間就會(huì)形成放電回路，電容器立即通過表頭和分壓電阻放電，被測(cè)電容器的電量和電壓很快變小，并最后變?yōu)榱悖瑥亩鵁o法測(cè)得電容原來的電壓了。這就是課本上的演示實(shí)驗(yàn)沒有用電壓表測(cè)量電壓的原因。◆(作者單位：江西省安遠(yuǎn)縣第一中學(xué) )

□責(zé)任編輯：周瑜芽