Электрический заряд является фундаментальной характеристикой частиц. Для его измерения используются специальные приборы, позволяющие не только обнаруживать наличие заряда, но и определять его величину.
Электроскоп и электрометр
Наиболее распространенным прибором для обнаружения и измерения электрического заряда является электроскоп. Он представляет собой металлический стержень, к которому подвешены два тонких листочка фольги или бумаги. Принцип действия основан на взаимном отталкивании одноименно заряженных тел. Когда заряженный предмет подносят к электроду, его заряд стекает на листочки, и они расходятся. По углу расхождения можно приблизительно оценить величину заряда.
Прибор для измерения электрического заряда электрометр устроен аналогично, но вместо листочков имеет подвижную стрелку с отградуированной шкалой. Это позволяет более точно определить значение заряда в единицах измерения.
Преимущества и недостатки
К достоинствам электрометра и электроскопа можно отнести:
- Простота конструкции
- Небольшая стоимость
- Высокая чувствительность
К недостаткам относят:
- Неточность показаний
- Подверженность внешним воздействиям (вибрация, электромагнитные поля)
Весы Кулона
Более высокой точностью обладает прибор для измерения электрического заряда под названием весы Кулона (крутильные весы). Этот прибор изобрел французский ученый Шарль Кулон.
Весы Кулона позволяют рассчитать значение заряда, основываясь на силе кулоновского взаимодействия между заряженными телами.
Конструкция представляет собой подвешенную в вакуумированном сосуде кварцевую нить с грузиками. Один из грузиков закреплен неподвижно и его можно заряжать. Второй грузик является подвижным. Под действием кулоновских сил он отклоняется, поворачивая нить на некоторый угол. По углу отклонения рассчитывают величину заряда.
К достоинствам весов Кулона относят высокую точность. К недостаткам - сложность конструкции и необходимость вакуумирования сосуда.
Современные приборы
В настоящее время для точного измерения зарядов чаще используются электронные приборы для измерения электрического заряда. Это различные электрометрические усилители, а также приборы, основанные на явлении электронной эмиссии.
Например, электронный мультиметр с очень высоким входным сопротивлением (∼1014 Ом) можно использовать как высокочувствительный вольтметр для измерения потенциалов заряженных тел. Зная потенциал и емкость тела, можно рассчитать величину его заряда по формуле Q = CU, где Q - заряд, C - электрическая емкость, U - напряжение (потенциал).
Еще один распространенный метод основан на регистрации тока, возникающего при ударе заряженных частиц об электрод. По величине этого тока определяют значение заряда частиц. Данный метод реализован, в частности, в популярных счетчиках Гейгера.
| Прибор | Принцип действия | Точность |
| Электроскоп | Электростатическое взаимодействие заряженных пластин | Низкая |
| Электрометр | То же, что и электроскоп, но со шкалой | Средняя |
| Весы Кулона | Измерение сил кулоновского взаимодействия | Высокая |
| Электронные приборы | Регистрация токов, возникающих при ударе заряженных частиц | Очень высокая |
Как видно из таблицы, современные электронные приборы для измерения электрического заряда обладают наиболее высокой точностью по сравнению с электрометрами и электроскопами. Однако последние до сих пор используются благодаря простоте и низкой стоимости.
Применение
Приборы для измерения заряда находят широкое применение как в научных исследованиях, так и в прикладных областях.
В фундаментальной физике при изучении свойств элементарных частиц необходимо точно знать их заряд. Для этого используются различные детекторы на основе электронных умножителей, позволяющие зарегистрировать даже единичную заряженную частицу.
В технике приборы для измерения заряда применяются при контроле электростатических полей, например, в устройствах электростатической защиты или сепарации. Также они используются в системах контроля наэлектризованности различных объектов и материалов.
В медицине электроскопические методы позволяют диагностировать различные нарушения нервной системы на основе анализа электрической активности организма. Кроме того, приборы для измерения заряда применяются в электрокардиографии.
Таким образом, несмотря на кажущуюся простоту, приборы для определения электрического заряда до сих пор не утратили своей актуальности и востребованы в самых разных областях науки и техники.
Калибровка приборов
Любой измерительный прибор требует периодической калибровки - сличения его показаний с эталоном. Для приборов измерения электрического заряда в качестве рабочих эталонов обычно используются конденсаторы известной емкости с питанием от источника постоянного напряжения. Зная емкость C и напряжение U, можно рассчитать эталонный заряд по формуле Q=CU.
Процедура калибровки заключается в следующем:
- Зарядить эталонный конденсатор до заданного напряжения
- Разрядить конденсатор на вход калибруемого прибора
- Зафиксировать показание прибора
- Повторить для нескольких значений заряда и построить градуировочный график
По отклонению экспериментальной зависимости от расчетного значения определяют погрешность прибора и вводят соответствующую поправку.
Электрорадиография
Прибор, измеряющий электрический заряд, называется электрорадиограф. Он используется для электрорадиографии - метода электростатической дефектоскопии диэлектрических материалов.
Метод основан на регистрации распределения поверхностного заряда на образце после его контактного заряда. Наличие внутренних дефектов в диэлектрике (трещин, расслоений, инородных включений) приводит к искажению картины распределения заряда. Это фиксируется чувствительным электрорадиографом и позволяет выявлять различные дефекты.
По сравнению с рентгеновским контролем электрорадиография обладает рядом преимуществ:
- Более высокая чувствительность к мелким дефектам
- Возможность исследовать объемные образцы больших размеров
- Отсутствие вредного воздействия ионизирующего излучения
Электрозондовый микроанализ
Еще одним перспективным методом анализа, использующим приборы измерения электрического заряда, является растровая электрозондовая микроскопия.
В этом методе острый зонд сканирует поверхность образца, взаимодействуя с заряженными частицами. Регистрируя величину возникающих токов, можно получать изображение распределения различных элементов и фаз с разрешением до нанометров.
По сравнению с распространенной растровой электронной микроскопией, метод позволяет анализировать не только морфологию, но и локальный элементный состав образцов без их разрушения. Это открывает новые возможности для исследования наноматериалов и изделий микроэлектроники.
Электрофорез
Электрофорез представляет собой метод разделения и анализа заряженных частиц (макромолекул, клеток, коллоидов) в электрическом поле. Скорость движения частиц определяется отношением их заряда к массе.
Регистрируя это движение с помощью приборов измерения электрического заряда, можно определять подвижность частиц, а значит - их размер, молекулярную массу и другие характеристики. На этом принципе основаны такие методы, как электрофорез белков и нуклеиновых кислот, применяемый в биохимическом анализе.
Конкретные модификации электрофореза включают зональный электрофорез, изоэлектрофокусирование, изотахофорез и др. Детектирование осуществляется с помощью различных оптических, хемилюминесцентных или радиоактивных методов.
