Мой самодельный электроскоп

Простейшим индикатором наличия электрического заряда (качественной оценки) является электроскоп (англ. electroscope) - первый электрический измерительный прибор.
Для количественной оценки заряда используется электрометр (англ. electrometer).

Разновидности электроскопов

pith-ball electroscope (double straw electroscope) - шаровой электроскоп

современный шаровой электроскоп	электроскоп Тиберио Кавалло (Cavallo): A - медный колпачок

Изобретен в 1754 году британским физиком Джоном Кантоном (J. Canton).

Состоит из шарика из диэлектрика (например, из пластика, а раньше - из бузины - (pith-ball - бузиновый шарик)), подвешенного на шелковой нити. При расположении вблизи шарика заряженного тела он притягивается к нему.
Это происходит из-за явления поляризации диэлектрика.

gold-leaf electroscope - лепестковый электроскоп

Содержит два листочка фольги (англ. foil leaves) (часто из золота - gold), соединенных с терминалом (англ. cap).

При соприкосновении терминала электроскопа с заряженным телом (англ. charging by conduction или charging by contact) происходит стекание части заряда через терминал и соединяющий проводник на листочки фольги.
Листочки фольги заряжаются зарядами ОДНОГО знака и согласно закону Кулона ОТТАЛКИВАЮТСЯ друг от друга, располагаясь в виде буквы "V".

Также возможен заряд электроскопа посредством электростатической индукции (англ. charging by Induction).
Явление электростатической индукции заключается в перераспределении зарядов на поверхности проводника или поляризации диэлектрика под действием стороннего электрического поля $E_{ст}$. При этом проводник или диэлектрик приобретают дипольный момент  $p$.
При расположении заряженного тела вблизи терминала электроскопа он заряжается зарядом, по знаку противоположному заряду заряженного (влияющего) тела, а листочки - зарядами того же знака.

Изобретен в 1787 году британским физиком Абрахамом Беннетом (англ. Abraham Bennet). На медную пластинку, к которой прикреплены золотые листочки, он помещал кучку мела в порошке. Если подуть на этот порошок, то порошок приходит в движение, а трение его частиц вызывает электризацию и расхождение листочков электроскопа:

В энциклопедии Брокгауза и Ефрона утверждается, что электроскоп изобрел Вольта:

Разновидностью лепесткового электроскопа является электроскоп Кольбе (изобретатель - Бруно Юльевич Кольбе):

Мой самодельный электроскоп

Как же самому в домашних условиях сделать электроскоп?

Мой электроскоп я изготовил из:
стеклянной банки (1),
пластиковой крышки (2),
двух листочков фольги (3),
отрезков проводов витой пары (4),
винта с гайками (5):
   

Для проверки работы электроскопа я подключил его к выходу самодельного источника высокого напряжения:

При включении источника листочки фольги разошлись в стороны:

Видео эксперимента на YouTube:
https://youtu.be/RZRnhTi4lDk

Чем выше напряжение на выходе высоковольтного источника, тем больше угол расхождения листочков фольги.
Я провел опыты с напряжением от 3 до 6 кВ:

Результаты эксперимента:
3 кВ - 33°, 4,5 кВ - 41°, 6 кВ - 48°.

Если выполнить регрессионный анализ (с помощью http://www.xuru.org/rt/lr.asp), то получается следующая линейная зависимость (с коэффициентом корреляции $r=0,9993$, связывающая угол между лепестками электроскопа $\phi$ (в градусах) и напряжение высоковольтного источника $U$ (в кВ):
$$\phi = 5 U + 18,2 $$

В статье "Demonstration experiments in electrostatics: low cost devices" бразильских авторов Alessio Ganci и Salvatore Ganci в качестве источников заряда для электроскопа предложены:

• пьезозажигалка;
• электрофор;
• "игрушечный" генератор Ван-де-Граафа "Fun Fly Stick"

Для увеличения емкости электроскопа можно подключить к терминалу провод, свернутый в виде "улитки", или металлическую пластинку.
В энциклопедии Брокгауза и Ефрона дается совет о подключении конденсатора:

Я разместил на верху винта электроскопа алюминиевый диск, образующий терминал электроскопа:

Для наблюдении эффекта электростатической индукции я использовал эбонитовую палочку (эбонит - высоковулканизированный каучук с большим содержанием серы):

Для сообщения палочке электрического заряда я использовал трибоэлектрический эффект - появление электрических зарядов в материале из-за трения (одно из проявлений контактной электризации).

Материалы, проявляющие трибоэлектрический эффект, располагаются в трибоэлектрическом ряду (triboelectric sequence), один конец которого является положительным, а другой — отрицательным. При трении пары материалов зарядится положительно материал, расположенный ближе к положительному концу ряда (другой материал зарядится отрицательно):
Asbestos - асбест
Fur (rabbit) - мех кролика
Glass - стекло
Mica - слюда
Wool - шерсть
Quartz - кварц
Fur (cat) - мех кошки
Lead - свинец
Silk - шелк
Human hair - человеческие волосы
Cotton - хлопок
Wood - дерево
Amber - янтарь
Copper, brass - медь, латунь
Rubber - резина
Sulfur - сера
Celluloid - целлулоид
India rubber - натуральный каучук

Первый трибоэлектрический ряд был опубликован шведским физиком Иоганном Вильке в 1757 году.
Ряд Фарадея: (+) мех, фланель, слоновая кость, перья, горный хрусталь, флинтглас, бумажная ткань, шелк, дерево, металлы, сера (—).

Обычно положительно заряжаются материалы с большей диэлектрической проницаемостью (являются донорами электронов) (правило Коэна) . Но известен парадокс - трибоэлектрическое кольцо - в паре "шёлк-стекло" стекло заряжается отрицательно, а в паре "стекло-цинк" отрицательно заряжается цинк,  но в паре "цинк-шёлк" отрицательно заряжается шёлк.

Я зарядил эбонитовую палочку, натерев ее о волосы. При приближении заряженной палочки к терминалу электроскопа лепестки электроскопа расходятся:

Опыты, демонстрирующие знаки зарядов при электростатической индукции

Опыт1

Если к терминалу положительно заряженного электроскопа поднести отрицательно заряженную эбонитовую палочку, то из-за индукции суммарный положительный заряд лепестков уменьшится и они сблизятся

Опыт 2

Если к терминалу отрицательно заряженного электроскопа поднести отрицательно заряженную эбонитовую палочку, то из-за индукции суммарный отрицательный заряд лепестков увеличится и они разойдутся

Опыт3

1 - натертую о волосы (шерсть) и приобревшую при этом отрицательный заряд эбонитовую палочку подносим к терминалу электроскопа - терминал из-за явления электростатической индукции приобретает положительный заряд, а лепестки заряжаются отрицательно и расходятся в стороны (электроскоп поляризуется)
2 - не убирая эбонитовую палочку, пальцем быстро касаемся терминала - отрицательный заряд лепесков стекает с них на тело человека, лепестки сближаются
3 - удаляем палочку и заряженные лепестки расходятся в стороны, так как на них попадает положительный заряд с терминала
4 - при приближении отрицательно заряженной палочки положительно заряженные лепестки сближаются, так как на них индуцируется отрицательный заряд

Также для сообщения электроскопу заряда я использовал бытовую пьезозажигалку:

Разряд электроскопа

При отключении источника питания от электроскопа происходит постепенное "стекание" заряда с электроскопа (посредством ионов воздуха) и лепестки медленно сближаются.

При заземлении отключенного от питания электроскопа происходит практически мгновенный разряд электроскопа.

Советы

Для уменьшения влажности воздуха можно поместить внутрь электроскопа предварительно прокаленные (например, на сковородке) гранулы силикагеля или алюмогеля.

J. B. Calvert (http://mysite.du.edu/~jcalvert/phys/elechome.htm) рекомендует ставить электроскоп на заземленную проводящую поверхность (или держать его в руках) либо покрывать нижнюю часть электроскопа проводящим материалом. При этом электроскоп представляет собой конденсатор, причем один электрод - это лепестки, а второй - нижняя металлическая обкладка. Емкость такого конденсатора можно измерить мультиметром.

В статье "Build an Electroscope" автора  Rufus P. Turner  в  журнале "Popular Electronics"  за июль 1955 года приведены примеры опытов с электроскопом:


Rufus P. Turner

Применение электроскопа

Обнаружение статического электричества

В статье "Build an Electroscope" журнала "Popular Electronics"  за июль 1955 года указывается, что электроскопы иногда используются в промышленности  для обнаружения статических зарядов на бумаге, фотопленке, одежде, листах пластика и т.д., с помощью них проверяют операционные и бензовозы.

Атмосфера

Электроскопы использовались для определения электрического состояния атмосферы.

Радиация

Электроскоп может быть использован для приближенной оценки уровня ионизирующей радиации по скорости схождения листочков (стекания заряда) предварительно заряженного электроскопа (дозиметрический электроскоп - англ. radioscope).

$\gamma$
Гамма-излучение ионизирует воздух:

O₂+ y => O₂⁺ + e^-
N₂ + y  => N₂⁺ + e^-
Ar + y => Ar⁺ + e^-

Воздух начинает проводить электричество и заряд "стекает".

$\beta$
Бета-излучение (высокоэнергетические электроны) заставляют листочки терять положительный заряд.

$\alpha$
Альфа-частицы не проходят через стекло.

Поиск радиоактивных руд
При поисках урановых руд электроскопы использовали для оценки радиоактивности найденных образцов.

Космические лучи

Австрийский исследователь Виктор Гесс (Victor Hess)  в 1911-1913 годах использовал электроскоп Вульфа для оценки уровня ионизирующей радиации в атмосфере (поднимаясь на аэростате) и зафиксировал рост интенсивности ионизации при увеличении высоты подъема (причиной являются космические лучи).