الکتروسکوپ (برق نما) چیست و از کاربرد آن چه می دانید؟

الکتروسکوپ ابزاری اولیه است که برای تشخیص وجود بار الکتریکی استفاده می شود. جمع شدن بار کافی برای تشخیص با الکتروسکوپ به صدها یا هزاران ولت نیاز دارد

بنابراین الکتروسکوپ ها از منابعی با ولتاژ بالا مانند برق ساکن و ماشین های الکترواستاتیک استفاده می کنند. الکتروسکوپ فقط می تواند بار الکتریکی را به صورت تقریبی مشخص کند.

این وسیله اولین ابزار اندازه گیری الکتریکی است که در درس فیزیک پایه یازدهم نیز شرح داده شده است. اولین الکتروسکوپ دارای یک سوزن محوری (به نام ورسوریوم) بود که توسط پزشک انگلیسی ویلیام گیلبرت اختراع شد. pith-ball و برگ طلا دو نوع کلاسیک الکتروسکوپ هستند که هنوز هم در آموزش فیزیک برای نشان دادن اصول الکترواستاتیک استفاده می شوند.  در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می شود.

کاربرد الکتروسکوپ چیست

این وسیله ابزاری برای تشخیص وجود بار الکتریکی یا تابش یونیزان است و معمولاً متشکل از یک جفت برگه نازک طلای معلق از یک رسانای الکتریکی است که به خارج یک ظرف عایق منتهی می شود. بار الکتریکی نزدیک به هادی یا در تماس با آن باعث می شود که برگه ها در یک زاویه از هم جدا شوند زیرا طبق قانون کولن ، بار الکتریکی مشابه که به هر برگه القا می شود یا به آن منتقل می شود باعث دفع یا جذب آنها می شود. درجه بندی الکتروسکوپ معمولا از صفر تا ۹۰ درجه است و برای تعیین زاویه انحراف برگه‌ ها مورد استفاده قرار می گیرد.

ساخت و آزمایش الکتروسکوپ

برای ساخت این وسیله نیازمند ۴ نی پلاستیکی (با سر قابل انعطاف) ، ۲ عدد قوطی فیلم ، مقداری خمیر ، چسب نواری پلاستیکی و شانه پلاستیکی هستیم.  ابتدا ۲  تکه ۱۰ سانتی متری از چسب نواری را جدا کرده و روی یک سطح صاف می‌چسبانیم سپس نی ها را با خمیر داخل قوطی ها محکم می کنیم طوری که سر انعطاف پذیر آنها رو به خارج باشد. قوطی ها را به هم نزدیک می کنیم و نوار چسب را روی نی ها می چسبانیم . برای آزمایش این وسیله شانه را به موهای سر کشیده و با نزدیک کردن شانه به تکه‌ های چسب می بینیم که نوارها به هم نزدیک شده و یا از هم دور می شوند.

تعیین نوع بار با الکتروسکوپ

الکتروسکوپ از طریق حرکت الکترونها به داخل برگه ها به وجود بار الکتریکی پاسخ می دهد. این برگه ها با نزدیک یا دور شدن نوع بار را نشان می دهند. مثلا وقتی بار مثبت است ، الکترونهای موجود در فلز الکتروسکوپ به سمت بار جذب می شوند و  برگه ها به سمت بالا حرکت می کنند. وقتی بار منفی است ، الکترونهای موجود در فلز الکتروسکوپ دفع می شوند و برگه ها به سمت پایین حرکت می کنند.

طرز کار الکتروسکوپ

اصول کار یک الکتروسکوپ بر اساس ساختار اتمی عناصر و القای بار ساختار داخلی عناصر فلزی کار می کند. بارهای مشابه یکدیگر را دفع می کنند در حالی که بارهای مخالف یکدیگر را جذب می کنند.

این وسیله از یک میله رسانا در بالا تشکیل شده است که به یک جفت برگه فلزی که از پایین میله آویزان شده اند، متصل شده است. در صورت عدم وجود بار برگه های فلزی به سمت پایین آویزان می شوند. اما وقتی جسمی باردار به الکتروسکوپ نزدیک شود این برگه ها می توانند دور یا نزدیک شوند.

تشخیص رسانا و نارسانا بودن جسم با الكتروسكوپ

برای تشخیص رسانا و نارسانا بودن لازم است خود جسم دارای بار الكتريكی باشد.  در این حالت اگر جسم رسانا باشد تماس آن با الكتروسكوپ بار را منتقل کرده و ورقه ها از هم دور شده و پس از دور شدن جسم نیز در همان حالت باقی می مانند. در صورتیکه جسم نارسانا باشد در تماس با الكتروسكوپ ابتدا ورقه ها از هم دور شده و سپس به حالت اول برمی گردند.

انواع الکتروسکوپ

بطورکلی دو نوع الکتروسکوپ کلاسیک برای توضیح مفهوم الکترواستاتیک در فیزیک مورد استفاده قرار می گیرد که شامل الکتروسکوپ پیت‌ بال و الکتروسکوپ با ورق طلا است.

الکتروسکوپ پیت بال

الکتروسکوپ پیت بال در سال ۱۷۵۴ توسط فیزیکدان بریتانیایی اختراع شد. این برق نما از یک یا دو توپ کوچک نارسانا تشکیل شده است که با نخ ابریشم یا کتانی از یک پایه آویزان شده اند. برای استفاده از این وسیله و تشخیص بار در یک ماده آن را نزدیک به توپ بدون شارژ نگه دارید. اگر بار ماده مثبت باشد، الکترون‌ ها به سمت آن کشیده می‌ شوند.

الکتروسکوپ با برگ طلا

آبراهام بنت فیزیکدان بریتانیایی دیگر در سال ۱۷۸۷ الکتروسکوپ با برگ طلا را اختراع کرد که کمی حساس تر الکتروسکوپ پیت بال بود. این وسیله برای تشخیص بار الکتریکی در استفاده می شود. این وسیله تئوری القاء و دافعه الکترواستاتیکی را ثابت می کند. در این وسیله دو ورقه طلای باریک به یک سر و صفحه فلزی در انتهای دیگر آن وصل شده است.

در الکتروسکوپ با برگ طلا دو برگ نازک و یک ماده رسانای الکتریکی به موازات یکدیگر آویزان شده اند. برگ ها نازک و حساس هستند و در تماس با یکدیگر قرار گرفته اند. وقتی این برگه ها باردار می شوند از یک دیگر فاصله گرفته و ولتاژ شارژ را نشان می دهند.

الکتروسکوپ سوزنی

این وسیله شامل یک صفحه متصل به پایه پشتیبانی و یک سوزن چرخان آزاد در دو طرف پایه است. اگر یک جسم باردار به صفحه نزدیک شود، سوزن نیز همان بار را پیدا کرده و دور می‌شود. در این الکتروسکوپ، صفحه، پایه نگهدارنده و سوزن همگی از یک ماده رسانا ساخته شده اند که هم جریان آزاد الکترون ها و هم توزیع بار اضافی در سراسر الکتروسکوپ را امکان پذیر می کند. در اینجا وجود بار نه تنها در الکتروسکوپ بلکه در جسم مجاور نیز با مشاهده انحراف سوزن قابل تشخیص است. کار این الکتروسکوپ اغلب بر فرآیند القایی شارژ تأکید دارد.