Electroscope: ประวัติศาสตร์, วิธีการทำงาน, สิ่งที่ให้บริการ
อิเล็กโทรสโคป เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ตรวจจับการมีประจุไฟฟ้าบนวัตถุใกล้เคียง นอกจากนี้ยังระบุสัญลักษณ์ของประจุไฟฟ้า นั่นคือถ้ามันเป็นประจุลบหรือบวก เครื่องมือนี้ประกอบด้วยแท่งโลหะที่ถูก จำกัด อยู่ในขวดแก้ว
คันนี้มีแผ่นโลหะบาง ๆ สองชิ้น (ทองหรืออลูมิเนียม) เชื่อมต่อในส่วนล่างของมัน ในทางกลับกันโครงสร้างนี้ถูกปิดผนึกด้วยวัสดุฉนวนและที่ปลายด้านบนมีทรงกลมเล็ก ๆ ที่เรียกว่า "นักสะสม"
เมื่อเข้าใกล้วัตถุที่มีประจุไฟฟ้ากับอิเล็กโตรสโคปปฏิกิริยาทั้งสองประเภทสามารถพบเห็นได้จากโลหะ lamellae ซึ่งอยู่ที่ส่วนล่างสุดของโครงสร้าง: ถ้า lamellae แยกออกจากกันหมายความว่าวัตถุนั้นมีประจุไฟฟ้าเดียวกัน กว่าอิเล็กโทรสโคป
ในทางกลับกันถ้า lamellae มารวมกันมันก็บ่งบอกว่าวัตถุนั้นมีประจุไฟฟ้าตรงข้ามกับประจุของอิเล็กโทรสโคป กุญแจสำคัญคือการชาร์จอิเล็กโตรสโคปด้วยประจุไฟฟ้าของเครื่องหมายที่รู้จัก ดังนั้นโดยการละทิ้งมันจะเป็นไปได้ที่จะอนุมานสัญลักษณ์ของประจุไฟฟ้าของวัตถุที่เราเข้าหาอุปกรณ์
อิเลคตรอนจะมีประโยชน์อย่างมากในการพิจารณาว่าร่างกายมีประจุไฟฟ้าหรือไม่นอกจากจะให้สัญญาณเกี่ยวกับสัญลักษณ์ของโหลดและความเข้มของมัน
ประวัติศาสตร์
อิเล็กโทรสโคปถูกคิดค้นโดยแพทย์ชาวอังกฤษและนักฟิสิกส์วิลเลียมกิลเบิร์ตซึ่งทำหน้าที่เป็นนักฟิสิกส์ของสถาบันพระมหากษัตริย์อังกฤษในช่วงรัชสมัยของพระราชินีอลิซาเบ ธ ที่ 1
กิลเบิร์ตยังเป็นที่รู้จักกันในนาม "บิดาแห่งแม่เหล็กไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า" ด้วยความทุ่มเทอันยอดเยี่ยมของเขาในด้านวิทยาศาสตร์ในช่วงศตวรรษที่สิบเจ็ด เขาสร้างอิเล็กโตรสโคปที่รู้จักกันครั้งแรกในปี 1600 โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อทำให้การทดลองของเขาลึกลงไปในประจุไฟฟ้าสถิต
อิเล็กโทรสโคปเครื่องแรกที่เรียกว่าเวอร์โลเรียมเป็นอุปกรณ์ที่ประกอบด้วยเข็มโลหะซึ่งหมุนได้อย่างอิสระบนฐาน
การกำหนดค่าของ versorium นั้นคล้ายกับของเข็มทิศมาก แต่ในกรณีนี้เข็มไม่ได้ถูกแม่เหล็ก ปลายของเข็มนั้นแตกต่างจากการมองเห็นซึ่งกันและกัน นอกจากนี้ปลายด้านหนึ่งของเข็มมีประจุเป็นบวกและปลายอีกด้านมีประจุลบ
กลไกของการกระทำของ Versorium นั้นขึ้นอยู่กับประจุที่เกิดขึ้นที่ปลายเข็มโดยวิธีการเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิต ดังนั้นขึ้นอยู่กับจุดสิ้นสุดของเข็มที่อยู่ใกล้กับวัตถุโดยรอบปฏิกิริยาของปลายนั้นจะชี้หรือขับไล่วัตถุด้วยเข็ม
หากวัตถุนั้นมีประจุเป็นบวกประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่เชิงลบในโลหะจะถูกดึงดูดไปยังวัตถุและจุดสิ้นสุดที่มีประจุลบจะชี้ไปยังร่างกายที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาในบริเวณรอบนอก
มิฉะนั้นหากวัตถุมีประจุลบขั้วที่ดึงดูดไปยังวัตถุนั้นจะเป็นปลายบวกของเข็ม
วิวัฒนาการ
ในกลางปี 1782 นักฟิสิกส์ชาวอิตาลีชื่อ Alessandro Volta (1745-1827) ได้สร้าง electroscope ที่ควบแน่นซึ่งมีความไวที่สำคัญในการตรวจสอบประจุไฟฟ้าที่ไม่สามารถตรวจจับได้
อย่างไรก็ตามความก้าวหน้าที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของอิเล็กโทรสโคปมาจากมือของนักคณิตศาสตร์และนักดาราศาสตร์ชาวเยอรมันโยฮันน์กอทท์เลบฟรีดริชฟอน Bohnenberger (1765-1831) ผู้คิดค้นเครื่องอิเล็กโตรสโคปแผ่นทองคำ
การกำหนดค่าของอิเล็กโตรสโคปนี้คล้ายกับโครงสร้างที่เป็นที่รู้จักกันในปัจจุบัน: อุปกรณ์ดังกล่าวประกอบด้วยระฆังแก้วที่มีทรงกลมโลหะที่ปลายด้านบน
ในทางกลับกันทรงกลมนี้ถูกเชื่อมต่อผ่านตัวนำไปยังแผ่นทองคำที่บางมากสองแผ่น "ก้อนทองคำ" แยกออกจากกันหรือรวมเข้าด้วยกันเมื่อร่างกายมีประจุไฟฟ้าสถิตเข้าหา
มันทำงานยังไง?
อิเล็กโตรสโคปเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการตรวจจับกระแสไฟฟ้าสถิตย์ในวัตถุใกล้เคียงทำให้เกิดปรากฏการณ์การแยกลามิเนลภายในของพวกมันเนื่องจากแรงผลักไฟฟ้าสถิต
ไฟฟ้าสถิตย์สามารถสะสมบนพื้นผิวภายนอกของร่างกายไม่ว่าจะเป็นภาระตามธรรมชาติหรือโดยการถู
อิเล็กโทรสโคปออกแบบมาเพื่อตรวจจับการมีประจุชนิดนี้เนื่องจากการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากพื้นผิวที่มีประจุสูงไปยังพื้นผิวที่มีประจุไฟฟ้าน้อย ยิ่งไปกว่านั้นขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาของลาเมลลามันสามารถให้ความคิดเกี่ยวกับขนาดของประจุไฟฟ้าสถิตของวัตถุรอบ ๆ
ทรงกลมที่ตั้งอยู่บนส่วนบนของอิเล็กโตรสโคปทำงานเป็นเอนทิตีที่รับประจุไฟฟ้าของวัตถุที่ศึกษา
เมื่อนำร่างกายที่มีประจุไฟฟ้าเข้ามาใกล้กับอิเล็กโทรสโคปมากขึ้นก็จะได้รับประจุไฟฟ้าที่เท่ากันจากร่างกาย นั่นคือถ้าเรานำวัตถุที่มีประจุไฟฟ้ามาพร้อมกับสัญญาณบวก electroscope จะได้รับประจุเดียวกัน
หากก่อนหน้านี้มีการชาร์จอิเล็กโตรสโคปด้วยประจุไฟฟ้าที่ทราบแล้วจะเกิดสิ่งต่อไปนี้:
- ถ้าร่างกายมีภาระเท่ากันแผ่นโลหะที่อยู่ภายในอิเล็กโตรสโคปจะถูกแยกออกจากกันเนื่องจากทั้งสองจะขับไล่
- ในทางตรงกันข้ามหากวัตถุมีประจุตรงข้ามกันสะเก็ดโลหะที่ด้านล่างของขวดจะยังคงอยู่รวมกัน
ลามิเนลในอิเล็กโทรสโคปจะต้องมีน้ำหนักเบามากดังนั้นน้ำหนักของพวกมันจะสมดุลโดยการกระทำของกองกำลังขับไล่ไฟฟ้าสถิต ดังนั้นโดยการย้ายวัตถุของการศึกษาออกไปจากอิเล็กโตรสโคป, ลามิเนลจะสูญเสียโพลาไรซ์และกลับสู่สภาพธรรมชาติของพวกเขา (ปิด)
มีการชาร์จด้วยไฟฟ้าอย่างไร?
ความเป็นจริงของการชาร์จอิเล็กโตรสโคปด้วยไฟฟ้าเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้สามารถกำหนดลักษณะของประจุไฟฟ้าของวัตถุที่เราจะเข้าหาอุปกรณ์ หากไม่ทราบค่าประจุของอิเล็กโตรสโคปล่วงหน้าจะเป็นไปไม่ได้ที่จะตัดสินว่าโหลดของวัตถุนั้นเท่ากับหรือตรงข้ามกับโหลดนั้น
ก่อนชาร์จอิเล็กโตรสโคปจะต้องอยู่ในสถานะเป็นกลาง นั่นคือมีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนในจำนวนที่เท่ากัน ด้วยเหตุนี้จึงแนะนำให้เชื่อมต่ออิเล็กโทรสโคปเข้ากับพื้นก่อนที่จะทำการชาร์จเพื่อให้แน่ใจว่าความเป็นกลางของโหลดของอุปกรณ์นั้น
การคายประจุด้วยอิเล็กโทรสโคปสามารถทำได้โดยการสัมผัสกับวัตถุที่เป็นโลหะเพื่อที่จะดูดประจุไฟฟ้าที่มีอยู่ภายในอิเล็กโทรสโคปเข้าสู่โลก
มีสองวิธีในการชาร์จอิเล็กโตรสโคปก่อนทดสอบ ด้านล่างนี้เป็นแง่มุมที่เกี่ยวข้องมากที่สุดของแต่ละข้อ
โดยอุปนัย
มันเกี่ยวข้องกับการชาร์จอิเล็กโทรสโคปโดยไม่ต้องสัมผัสโดยตรงกับมัน นั่นคือเพียงเข้าใกล้วัตถุที่มีประจุเป็นที่รู้กันกับทรงกลมที่ได้รับ
โดยการติดต่อ
โดยการสัมผัสกับทรงกลมที่ได้รับจากอิเล็กโทรสโคปโดยตรงกับวัตถุที่มีประจุเป็นที่รู้จัก
มีไว้เพื่ออะไร?
Electroscopes ใช้เพื่อตรวจสอบว่าร่างกายมีประจุไฟฟ้าหรือไม่และแยกแยะว่ามันมีประจุลบหรือประจุบวก ปัจจุบันมีการใช้อิเล็คตรอนในสนามทดลองเพื่อเป็นตัวอย่างในการตรวจจับประจุไฟฟ้าสถิตในร่างกายที่มีประจุไฟฟ้า
ฟังก์ชั่นที่สำคัญที่สุดของอิเลคตรอนมีดังต่อไปนี้:
- ตรวจจับประจุไฟฟ้าในวัตถุใกล้เคียง หากอิเล็กโตรสโคปตอบสนองต่อการเข้าใกล้ร่างกายนั่นเป็นเพราะประจุหลังถูกประจุด้วยไฟฟ้า
- การแยกประเภทของประจุไฟฟ้าที่ร่างกายมีประจุไฟฟ้ามีอยู่เมื่อประเมินการเปิดหรือปิดของแผ่นโลหะ lamellae ของ electroscope ขึ้นอยู่กับประจุไฟฟ้าเริ่มต้นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
- อิเล็กโทรสโคปใช้เพื่อวัดรังสีของสภาพแวดล้อมในกรณีที่มีสารกัมมันตภาพรังสีอยู่รอบ ๆ ด้วยหลักการเดียวกันของการเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิต
- อุปกรณ์นี้ยังสามารถใช้ในการวัดปริมาณไอออนที่มีอยู่ในอากาศโดยการประเมินค่าประจุและความเร็วการปล่อยของอิเล็กโทรสโคปภายในสนามไฟฟ้าที่มีการควบคุม
ทุกวันนี้อิเล็กตรอนถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในการปฏิบัติการทางห้องปฏิบัติการในโรงเรียนและมหาวิทยาลัยเพื่อแสดงให้นักเรียนเห็นถึงระดับการศึกษาที่หลากหลายเกี่ยวกับการใช้อุปกรณ์นี้เป็นเครื่องตรวจจับประจุไฟฟ้าสถิต
วิธีการทำอิเล็กโทรสโคปที่บ้าน?
มันง่ายมากที่จะทำอิเล็กโตรสโคปแบบโฮมเมด องค์ประกอบที่จำเป็นนั้นหาได้ง่ายและการประกอบอิเล็กโตรสโคปนั้นค่อนข้างรวดเร็ว
รายการด้านล่างเป็นอุปกรณ์และวัสดุที่จำเป็นในการสร้างอิเล็กโทรสโคปแบบโฮมเมดใน 7 ขั้นตอนง่าย ๆ :
- ขวดแก้ว มันต้องสะอาดและแห้งมาก
- จุกปิดผนึกขวดอย่างผนึกแน่น
- ลวดทองแดงขนาด 14 เกจ
- คีม
- กรรไกร
- อลูมิเนียมฟอยล์
- กฎ
- บอลลูน
- ผ้าขนสัตว์
กระบวนการ
ขั้นตอนที่ 1
ตัดลวดทองแดงจนกว่าคุณจะได้ชิ้นส่วนที่ยาวเกินกว่า 20 เซนติเมตรของภาชนะ
ขั้นตอนที่ 2
ขดที่ปลายด้านหนึ่งของเส้นลวดทองแดงทำให้เป็นเกลียว ส่วนนี้จะทำหน้าที่ของทรงกลมตรวจจับประจุไฟฟ้าสถิต
ขั้นตอนนี้มีความสำคัญมากเนื่องจากเกลียวจะอำนวยความสะดวกในการส่งอิเลคตรอนจากร่างกายการศึกษาไปยังอิเล็กโตรสโคปเนื่องจากมีพื้นที่ผิวมากกว่า
ขั้นตอนที่ 3
มันข้ามไม้ก๊อกด้วยด้ายทองแดง ตรวจสอบให้แน่ใจว่าส่วนที่โค้งงออยู่ด้านบนของอิเล็กโทรสโคป
ขั้นตอนที่ 4
ทำให้เกิดความโค้งเล็กน้อยที่ปลายล่างของเส้นลวดทองแดงในรูปตัว L
ขั้นตอนที่ 5
ตัดแผ่นอลูมิเนียมทั้งสองออกเป็นรูปสามเหลี่ยมประมาณ 3 ซม. ในฐาน เป็นสิ่งสำคัญที่สามเหลี่ยมทั้งสองเหมือนกัน
ตรวจสอบให้แน่ใจว่าลามิเมลเลมีขนาดเล็กพอที่จะไม่สัมผัสกับผนังด้านในของขวด
ขั้นตอนที่ 6
มันมีรูเล็ก ๆ ที่มุมบนของแต่ละฟอยล์และแทรกทั้งสองชิ้นของอลูมิเนียมที่ปลายล่างของลวดทองแดง
พยายามทำให้ภาพนิ่งอลูมิเนียมฟอยล์เรียบที่สุด หากสามเหลี่ยมอลูมิเนียมแตกหักหรือย่นมากเกินไปจะเป็นการดีกว่าที่จะทำตัวอย่างซ้ำจนกว่าจะได้ผลที่ต้องการ
ขั้นตอนที่ 7
วางไม้ก๊อกไว้ที่ขอบบนของขวดอย่างระมัดระวังเพื่อไม่ให้แผ่นอะลูมิเนียมเสื่อมสภาพหรือทำให้ชิ้นส่วนเสียหาย
มันเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งที่ลามิเนลทั้งสองอยู่ในการติดต่อเมื่อปิดผนึกภาชนะ หากไม่เป็นเช่นนั้นคุณควรแก้ไขการโค้งงอของลวดทองแดงจนกระทั่งแผ่นสัมผัสกัน
ทดสอบอิเล็กโทรสโคปของคุณ
เพื่อพิสูจน์ว่าคุณสามารถใช้แนวคิดเชิงทฤษฎีที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ตลอดทั้งบทความตามรายละเอียดด้านล่าง:
- ตรวจสอบให้แน่ใจว่าไม่ได้ทำการชาร์จด้วยอิเล็กโตรสโคป: ให้แตะด้วยแท่งโลหะเพื่อกำจัดประจุที่เหลืออยู่ในอุปกรณ์
- โหลดวัตถุด้วยไฟฟ้า: ถูลูกโป่งกับผ้าขนสัตว์เพื่อโหลดพื้นผิวของบอลลูนประจุไฟฟ้าสถิต
- เข้าใกล้วัตถุที่พุ่งไปยังขดลวดทองแดง: ด้วยวิธีนี้เครื่องอิเล็กโตรสโคปจะถูกประจุด้วยการเหนี่ยวนำและอิเล็กตรอนของโลกจะถูกถ่ายโอนไปยังอิเล็กโตรสโคป
- สังเกตปฏิกิริยาของฟอยล์โลหะ: สามเหลี่ยมอลูมิเนียมฟอยล์จะเคลื่อนที่ออกจากกันเนื่องจากฟอยล์ทั้งสองแบ่งการโหลดของเครื่องหมายเดียวกัน (ลบในกรณีนี้)
พยายามทำการทดสอบประเภทนี้ในวันที่อากาศแห้งเนื่องจากความชื้นมักส่งผลต่อการทดลองในบ้านประเภทนี้เพราะทำให้อิเลคตรอนเคลื่อนที่จากพื้นผิวหนึ่งไปยังอีกพื้นผิวได้ยาก