الکتروسکوپ یا برق نما وسیله ای علمی است که برای تشخیص وجود بار الکتریکی بر روی جسم استفاده می شود. در سال ۱۶۰۰، پزشک بریتانیایی ویلیام گیلبرت اولین الکتروسکوپ با سوزن محوری به نام ورسوریوم را اختراع کرد.

این وسیله بار را بر اساس نیروی الکترواستاتیک کولن تشخیص می دهد که باعث حرکت بار آزمایشی می شود. الکتروسکوپ را می توان به عنوان یک ولت متر اولیه در نظر گرفت زیرا بار الکتریکی یک جسم برابر با ظرفیت آن است. ابزاری که برای اندازه گیری کمی بار استفاده می شود به عنوان الکترومتر شناخته می شود.

برای تشخیص با توسط این وسیله به مقدار زیادی ولت نیاز دارد. از این رو، استفاده از الکتروسکوپ با منابع ولتاژ بالا مانند الکتریسیته ساکن و دستگاه های الکترواستاتیک امکان پذیر است.

روش کار الکتروسکوپ

تئوری اساسی پشت یک الکتروسکوپ کار به آرایش اتمی عناصر، القای بار، ساختار داخلی عناصر فلزی و ایده اصلی بارهای غیرمشابه یکدیگر را جذب و بارهای مشابه یکدیگر را دفع می کنند، بستگی دارد.

این وسیله از یک دستگیره فلزیاب در قسمت بالایی تشکیل شده است که به یک جفت برگ فلزی آویزان از پایین شاتون متصل است. هنگامی که بار وجود ندارد، برگ های فلزی به سمت پایین قرار دارند. اما هنگامی که یک جسم باردار نزدیک الکتروسکوپ نگه داشته می شود ممکن است یکی از موارد زیر رخ دهد.

هنگامی که بار مثبت وجود دارد

الکترون های فلز الکتروسکوپ به سمت آن کشیده می شوند و برگ ها را به سمت بالا فشار می دهند که باعث می شود برگ ها حالت مثبت موقتی پیدا کنند و چون بارهای مشابه دفع می شوند، برگ ها از هم جدا می شوند. هنگامی که جسم دارای بار مثبت دور می شود، الکترون ها به محل اصلی خود باز می گردند و برگ ها پایین می روند.

وقتی بار منفی است

الکترون‌ های فلز الکتروسکوپ دفع می ‌شوند و به سمت برگ‌های پایین حرکت می ‌کنند. بدین ترتیب برگ ها حالت بار منفی گذرا به دست می آورند و از آنجایی که بارهای مشابه دفع می شوند، برگه ها دوباره دور می شوند. با عقب نشینی جسم دارای بار منفی، الکترون ها به حالت اولیه خود باز می گردند و برگ ها به حالت اولیه برمی گردند.

در هر دو مورد، الکترون ها به محض خروج جسم باردار به حالت اولیه خود باز می گردند. علاوه بر این، الکتروسکوپ نمی تواند مثبت یا منفی بودن بار را ارزیابی کند، بلکه فقط وجود بار را در یک جسم نشان می دهد.

انواع الکتروسکوپ

دو نوع الکتروسکوپ کلاسیک که هنوز در زمینه فیزیک مورد استفاده قرار می‌ گیرند و به توضیح مفهوم الکترواستاتیک کمک می‌ کنند، الکتروسکوپ پیت‌ بال و الکتروسکوپ با ورق طلا هستند.

الکتروسکوپ پیت بال

این توپ توسط فیزیکدان بریتانیایی و استاد مدرسه جان کانتون در سال ۱۷۵۴ اختراع شد. این وسیله از یک یا دو توپ کوچک نارسانا تشکیل شده است که به کمک نخ ابریشم یا کتانی از قلاب یک پایه محصور آویزان شده است.

برای اندازه ‌گیری وجود بار روی یک ماده، مواد را نزدیک ‌تر به توپ بدون شارژ نگه دارید. اگر بار ماده آزمایشی مثبت باشد، الکترون‌ ها، یعنی بارهای منفی مولکول‌ ها، به سمت آن کشیده می‌ شوند. آنها به سمت مولکول ها حرکت می کنند و مواد را احاطه می کنند. از سوی دیگر، مولکول با بار مثبت، یعنی هسته، ماده را دفع و از آن دور می کند. این تکنیک برای مطالعه وجود بار الکترواستاتیکی بر روی ماده با کمک الکتروسکوپ پیت بال مفید است.

الکتروسکوپ با برگ طلا

این وسیله توسط فیزیکدان بریتانیایی آبراهام بنت در سال ۱۷۸۷ به عنوان ابزاری کمی حساس تر در مقایسه با الکتروسکوپ Pith-ball اختراع شد. الکتروسکوپ ورقه طلا برای تشخیص بار الکتریکی موجود در بدن و طبقه بندی قطبیت آن کار می کند. کار این وسیله بر روی تئوری القاء و دافعه الکترواستاتیکی است و از یک میله برنجی تشکیل شده است که دو ورقه طلای باریک به یک سر و صفحه فلزی در انتهای دیگر آن وصل شده است.

دو برگ نازک و یک ماده رسانای الکتریکی به موازات یکدیگر آویزان شده و عملاً در تماس با یکدیگر هستند. میله در داخل ظرف شیشه ای استوانه ای قرار می گیرد تا برگ های طلا در داخل و دیسک در بیرون قرار گیرد. قسمت پایینی از یک فویل قلع تشکیل شده است و مقدار کمی CaCl2 در داخل الکتروسکوپ ورق طلا قرار می گیرد تا هوای داخل شیشه خشک شود.

از آنجایی که برگ ها شکننده و حساس هستند به راحتی آویزان می شوند. هنگامی که آنها شارژ می شوند، تقسیم می شوند و زاویه ای تشکیل می دهند که بستگی به میزان تاثیر روی برگه ها دارد که ولتاژ شارژ را تعیین می کند. این الکتروسکوپ فقط پتانسیل را نشان می دهد نه بار. همچنین ولتاژ با بررسی زاویه جدایی قابل اندازه گیری است.

موارد استفاده از الکتروسکوپ

• آنها برای تجزیه و تحلیل بارهای الکترواستاتیک و هرگونه تشعشعات یونیزان موجود در بدن مفید هستند.
• ماهیت بار الکتریکی با استفاده از الکتروسکوپ قابل اندازه گیری است.
• همچنین به کمک این وسیله به راحتی می توان مقدار دو بار مختلف را با هم مقایسه کرد.

روش های شارژ الکتروسکوپ

شارژ از طریق تماس

یک جسم عایق را بمالید تا شارژ شود. سپس آن را روی صفحه بالایی الکتروسکوپ بکشید. این کار باعث انتقال بار از عایق به الکتروسکوپ می شود. این روش برای دانش آموزان مستقیم و واضح است. با این حال، بار باقی مانده همیشه برگه ها را به طور کامل منحرف نمی کند.

شارژ از طریق القاء

شارژ از طریق القاء یک راه سریع برای وارد کردن بار بزرگ تر به این وسیله است. با این حال، می تواند برای دانش آموزان کمی جادویی به نظر برسد. بنابراین باید با احتیاط از آن استفاده کرد.

شارژ با ژنراتور EHT یا Van de Graaff

می توانید از یک برگه نازک سرب متصل به یکی از این منابع ولتاژ بالا مانند ژنراتور برای شارژ الکتروسکوپ ورق طلا استفاده کنید. این روش برای دانش آموزان سریع، مؤثر و واضح است.

کدام نوع الکتروسکوپ رایج ترین است؟

الکتروسکوپ ورقه طلا بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد و به تشخیص و اندازه گیری الکتریسیته ساکن و ولتاژ کمک می کند.