ЭСБЕ/Электрометр

Электрометр
Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона

Словник: Электровозбудительная сила — Эрготинъ. Источник: т. XLa (1904): Электровозбудительная сила — Эрготин, с. 547—551 ( скан ) • Даты российских событий указаны по юлианскому календарю.

Электрометр — прибор, служащий для измерения электрического потенциала. Приборы этого рода могут служить для двоякой цели: менее точные, электроскопы, обнаруживают только присутствие заряда на теле и дают возможность судить о потенциале тела весьма грубо; более точные — электрометры, позволяют определить потенциал в принятых единицах.

Первый электроскоп был устроен Вольта: прибор состоял из металлического стержня, пропущенного через каучуковую пробку, которая закрывала стеклянную бутылку. Верхний конец металлического стержня оканчивался металлическим шариком, а к низшему концу, находящемуся внутри бутылки, привешивались 2 соломинки. При соединении прибора с наэлектризованным телом соломинки, как тела наэлектризованные одноименно, отталкивались, и таким образом можно было судить, заряжено данное тело или нет. Дальнейшее усовершенствование приборов этого рода состояло в том, что вместо соломинок стали привешивать листки из тонкой бумаги или же тонкие золотые листочки, вследствие чего получилась возможность обнаруживать слабые заряды на телах.

В настоящее время наиболее употребительными и удобными из приборов этого рода являются электроскопы Б. Ю. Кольбе, которые поэтому здесь и описываются. Менее чувствительный Э. Кольбе состоит из широкогорлой склянки с отрезанным дном, которое заменено металлической пластинкой с загнутыми краями (см. фиг. 1).

Склянка заперта каучуковой пробкой, через которую проходит никелированный латунный стержень; наверху стержня находится никелированный шарик, а внизу, в склянке, к стержню прикреплены два крючка из тонкой нейзильберовой проволоки, к которым подвешены две полоски из тонкой шелковой бумаги, легко вращающиеся около проволочки (подвес листочка изображен на фиг. 2).

Концы листочков внизу расширены и загнуты, что дает возможность издали видеть листочки.

Для приблизительного определения потенциала употребляется электроскоп более чувствительный, в котором два бумажных листочка заменены одним тонким листочком из алюминия, подвешенным так же, как и бумажный. В плоскости отклонения листочка помещена шкала из слюды, разделенная на градусы. Листочек помещен в металлической оправе, передняя и задняя стенки которой сделаны из стекла для того, чтобы листок возможно было проектировать при помощи фонаря. Винт s (см. фиг. 3) позволяет установить листочек вертикально, клемма k служит для соединения оправы Э. с землей. Заменяя шар, находящийся наверху стержня, маленьким конденсатором, возможно чувствительность прибора увеличить в 200 раз и таким образом заметить малый потенциал (до ½V).

Для точного измерения потенциала употребляются Э., из которых можно указать на абсолютный Э. и квадрантный Э. Томсона. Абсолютный Э. Томсона позволяет вычислять разность потенциалов в абсолютных электростатических единицах. Устройство его основано на теории плоского конденсатора (см. Конденсатор). Сила электрического притяжения Р, действующая на поверхность S конденсатора со стороны противолежащей конденсирующей поверхности в воздухе, выражается формулой

$P={\frac {S}{8\pi D^{2}}}(V_{1}-V_{2})^{2}$,

где $V_{1}-V_{2}$ разность потенциалов на двух поверхностях конденсатора, а D — расстояние поверхностей конденсатора. Так как устройство этого прибора очень сложно и на страницах словаря невозможно дать полностью описания этого прибора, то здесь приводится описание наиболее простого прибора, которое дает понятие о принципе устройства абсолютного Э. и о манипуляциях с ним для определения разности потенциалов в абсолютных единицах. На коромысле точных весов с одной стороны подвешена чашка s, с другой стороны находится укороченный подвес, на котором привешена круглая металлическая пластинка С (см. фиг. 4).

Пластинка С помещается в середине отверстия, вырезанного в металлическом диске B, имеющем одинаковую с ней толщину и радиус весьма большой в сравнении с радиусом пластинки С. Посредством особого приспособления H, устроенного на привесе, можно точно установить пластинку С в плоскости металлического диска В и поместить ее в середине этого диска, так что между диском и пластинкой будет узкая щель, а нижняя поверхность пластинки С будет совпадать с нижней поверхностью диска В. Диск В поддерживается изолированной подставкой P, которая находится в металлическом сообщении с коромыслом весов и пластинкой С, так что возможно постоянно поддерживать пластинку С и диск В при одном и том же потенциале. Диск В называется охранным кольцом и служит для установления по всей поверхности пластинки С одинаковой плотности электричества. Под диском В находится одинаковая по размерам с ним металлическая пластинка А, которая помещена параллельно ему и может посредством микрометрического винта подниматься и опускаться. Пластинка А помещена на изолирующей подставке и сообщается посредством зажима Р′ с телом, потенциал которого хотят определить. Зацепы M и N предохраняют коромысло от сильных размахов.

Сообщим пластинке С и охранному кольцу потенциал $V_{1}$, а пластинке А потенциал $V_{2}$, причем потенциалы будут различных знаков, тогда пластинка С будет притягиваться пластинкой А. Накладывая на чашку весов s гири, мы можем нижнюю поверхность пластинки С удержать в плоскости нижней поверхности охранного кольца В. Пусть для этого пришлось на чашку s положить N граммов, тогда сила Р = Ng, где P будет выражено в динах, и g есть ускорение силы тяжести. По приведенной выше формуле

$V_{1}-V_{2}={\frac {D{\sqrt {8\pi Ng}}}{S}}$,

где S — поверхность пластинки С, расстояние между пластинками С и A, которое обозначено в формуле буквой D, непосредственно весьма трудно определить, поэтому поступают следующим образом: охранное кольцо В и пластинку С соединяют с постоянным источником электричества (напр., со внутренней обкладкой лейденской банки, у которой наружная обкладка отведена к земле), потенциал которого — $V_{0}$; сообщают нижней пластинке А потенциал $V_{1}$. Когда пластинка С уравновешена, то имеем

$V_{1}-V_{2}={\frac {D{\sqrt {8\pi Ng}}}{S}}$, (1)

Не изменяя потенциала $V_{0}$ сообщенного охранному кольцу В и пластинке C, сообщаем пластинке А потенциал $V_{2}$, и посредством микрометрического винта передвигаем пластинку А до тех пор, пока пластинка С будет уравновешена, тогда, обозначая расстояние между С и А через D′, имеем

$V_{1}-V_{2}={\frac {D'{\sqrt {8\pi Ng}}}{S}}$. (2)

Вычитая (1) из (2), имеем

$V_{1}-V_{2}={\frac {(D'-D){\sqrt {8\pi Ng}}}{S}}$.

Разность расстояний во втором и первом наблюдении D′ — D может быть измерена микрометрическим винтом. Чтобы $V_{1}-V_{2}$ было выражено в абсолютных единицах (CGS) для этого необходимо, чтобы N было выражено в граммах, g в см/сек.^—2, D′ — D в см и S в кв. см.

Квадрантный Э. Томсона, наиболее часто употребляемый при занятиях, имеет много видоизменений. Здесь приводится описание простейшего Э., удобного для демонстрирования на лекциях.

На металлической подставке (см. фиг. 5), снабженной тремя винтами, помещается стеклянная банка (из флинтгласа, хорошо изолирующего), на которой наклеены четыре широкие оловянные полоски. Эти оловянные полоски служат внешней обкладкой лейденской банки, внутреннюю обкладку которой составляет налитая в эту банку почти до половины её серная кислота (серная кислота служит вместе с тем для уничтожения влажности внутри прибора). Покрышкой для банки служит металлическая пластинка, посреди которой укреплена металлическая коробка с двумя круглыми отверстиями, закрытыми стеклами и находящимися друг к другу под прямым углом. Продолжением металлической коробки служит длинная стеклянная трубка, на верхнем конце которой устроено особое приспособление с крючком для подвешивания нити. Коконовая нить перекинута чрез крючок и к двум концам её привешено круглое зеркальце k (см. фиг. 6).

Продолжением этого зеркальца служит тонкий стеклянный стержень, перпендикулярно к которому прикрепляется алюминиевая стрелка, имеющая форму цифры 8 (бисквит).

К бисквиту прикреплена платиновая проволочка, которая служит продолжением стеклянного стержня и на нижнем конце которой прикреплена платиновая пластинка, вся погруженная в серную кислоту. Бисквит помещен посреди круглой металлической коробки, разрезанной на 4 равные части (квадранты), и установлен как раз посреди одного из разрезов, разделяющих квадранты (см. фиг. 7).

Квадранты, посредством изолированных металлических стержней f, g, h, i (фиг. 6), прикреплены к крышке лейденской банки, причем противолежащие друг другу квадранты соединены между собой (g и h, f и i) проводниками и, таким образом, образуют две пары. Каждая пара квадрантов на крышке лейденской банки имеет свой зажим, изолированный от крышки банки. Один из таких зажимов обозначен на фигурах буквой с. Зеркало k устанавливается так, чтобы плоскость его составляла с плоскостями стекол, помещенных в вырезах металлической коробки, угол в 45°. При такой установке пучок света, направленный в одно из стекол, после отражения от зеркала выходит в другое и может быть таким образом отброшен на шкалу, где получается след в виде светлого пятна (зайчик). Если сообщить алюминиевой стрелке (бисквиту) некоторый постоянный потенциал, а двум парам квадрантов потенциалы различных знаков, то бисквит будет отталкиваться парой квадрантов, имеющих заряд одноименный с его зарядом, и притягиваться другой парой квадрантов, имеющих заряд противоположного знака: бисквит повернется на некоторый угол, а с ним вместе повернется и зеркало, вследствие чего зайчик будет перемещаться по шкале. Из теория квадрантного Э. следует, что угол отклонения бисквита

$\vartheta =\gamma (V_{1}-V_{2})[V_{0}-{\tfrac {1}{2}}(V_{1}+V_{2})]$,

где $V_{0}$ — потенциала бисквита, $V_{1}$ и $V_{2}$ — потенциалы, сообщенные квадрантам. Из формулы видно, что угол отклонения бисквита не пропорционален разности потенциалов квадрантов. Если $V_{0}$ потенциал бисквита очень велик в сравнении с $V_{1}$ и $V_{2}$ — потенциалами квадрантов, то, пренебрегая членом ${\tfrac {1}{2}}(V_{1}+V_{2})$ получаем $\vartheta =\gamma (V_{1}-V_{2})V_{0}$, где γ — постоянное для данного прибора при данном расположения нитей. Следовательно, при значительном $V_{0}$ и малых $V_{1}$ и $V_{2}$ угол отклонения бисквита пропорционален разности потенциалов, сообщенных квадрантам. Для сообщения заряда бисквиту служит в описываемом приборе проволока e, соединенная с серной кислотой и изолированная от подставки прибора. Посредством стеклянной палочки, потертой о кожу, через проволоку е сообщается заряд серной кислоте, находящейся в металлическом соединении с бисквитом и образующей внутреннюю обкладку лейденской банки; наружная обкладка этой банки отведена к земле при помощи зажима a. Особый приборчик — репленишер (см. Репленишер) позволяет увеличить или уменьшить заряд, сообщенный серной кислоте и бисквиту. На фигуре виден стержень d, вращением которого в одну сторону заряд серной кислоты и бисквита увеличивается, вращением в другую сторону — уменьшается. Перед производством наблюдения Э. устанавливается так, чтобы стеклянный стерженек, соединяющий бисквит с зеркалом, проходил через центр коробки, составленной из квадрантов; затем бисквит устанавливается в середине коробки, что достигается подниманием или опусканием нитей при помощи верхнего винта головки (см. фиг. 8), находящейся на верхнем конце стеклянной трубки.

По приведения бисквита в середину коробки поворачиванием всей головки приводят бисквит так, что бы он был расположен симметрично относительно квадрантов (см. фиг. 9).

Нижний винт головки позволяет раздвигать или сдвигать нити и таким образом уменьшать или увеличивать чувствительность прибора. Перед наблюдением необходимо определить чувствительность Э., что легко сделать, присоединяя квадранты к полюсам «нормального» элемента.

В настоящее время самым чувствительным из квадрантных Э. является Э. Долежалека, который позволяет отсчитывать весьма малые доли вольта (в опытах Patterson’a до 6 х 10^—6) и, кроме того, благодаря прекрасной изоляции хорошо держит заряд. Главное усовершенствование этого Э. состоит в том, что бисквит его очень легок (сделан из бумаги, покрытой тонким слоем серебра) и вместо подвеса из коконовых нитей сделан подвес из тонкой кварцевой нити. Кварцевая нить имеет то преимущество, что, во-первых, она не обладает упругим последействием (см. Упругое последействие), а, во-вторых, может быть сделана весьма тонкой, чем достигается весьма большая чувствительность прибора. Заряд листочку сообщается присоединением головки Э. к постоянному источнику электричества (напр., к одному полюсу батарея аккумуляторов, когда другой полюс этой батареи отведен в землю). Так как кварц — непроводник, то для сообщения проводимости кварцевой нити ее предварительно опускают в раствор хлористого кальция; после высушивания нить является покрытой тонким слоем хлористого кальция; хлористый кальций, поглощая из окружающего воздуха влагу, образует на нити поверхность, проводящую электричество. Квадранты электрометра изолированы от подставки при помощи наилучших изоляторов, кварца или янтаря; чувствительность Э. может быть изменяема употреблением нитей разной толщины. На прилагаемом рисунке Э. изображен со снятой оправой, которая изображена отдельно (М). Между квадрантами θ виден бисквит N, выше которого находится зеркало A, привешенное на кварцевой нити к нижнему концу винта т. Посредством винта т можно бисквит электрометра поместить в середине коробки, образованной квадрантами. Вращением головки Т бисквит устанавливается симметрично относительно квадрантов. Винт S служит для закрепления головки Т. Квадранты θ соединены с зажимами К₁ и К₂. При помощи стерженька R возможно отодвинуть половину коробки квадрантов и таким образом бисквит N снять с нитки, что бывает необходимо сделать при перемене нитей (на рисунке половина коробки квадрантов изображена отодвинутой). Отпуская винт S₂ возможно весь Э. вращать вокруг оси. Уравнительные винты служат для установки подставки Э. горизонтально.

Литература. И. Боргман «Основания учения об электрических и магнитных явлениях» (т. I.); Б. Ю. Кольбе, «Введение в учение об электричества», (часть I); A. Weinhold, «Physikalische Demonstrationen» (переводится на русский язык: Н. С. Лукьянов, «Физический кабинет»); Müller-Pouillet, «Lehrbuch der Physik» (т. III); «Zeitschrift für Instrumentenkande»

Ф. Индриксон.