Індикатор електростатичного заряду

Завдання роботи:

виготовити і випробувати прототип індикатора електростатичного заряду.

Обладнання:

– макетна плата;

– польові транзистори з керуючим p-n переходом, n-канальні J108, J109, J110, J111, або J112 – 2 шт. (однакових);

– резистори опором 1 кОм та 750 Ом, 0,25…1 Вт;

– червоний та синій світлодіоди;

– з’єднувальні провідники;

– елемент живлення «Крона», 9 В;

– тримач елементу живлення типу «Крона» (контактний майданчик зі з’єднувальними проводами).

Основні терміни та поняття

Електричний заряд ВЗАЄМОДІЯ ЗАРЯДІВ. ЗАКОН КУЛОНА ЕЛЕКТРИЗАЦІЯ ТІЛ Транзистор Польові транзистори Польові транзистори

Теоретична частина

Рис. 1. Прототип індикатора електростатичного заряду в роботі при піднесенні наелектризованого предмету (пластикової авторучки)

Відомо, що тіла можуть набувати додатного або від’ємного електричного заряду. Так, ще в давнину помітили, що бурштин, потертий об вовну, починає притягувати до себе легкі предмети. Згодом такі властивості були виявлені й у інших речовин (ебоніт, скло, волосся). Приміром, якщо потерти пластикову ручку об волосся, то вона починає притягувати дрібні шматки паперу. Таке явище називається електризацією тіл. Спочатку два тіла, наприклад пластик і волосся, мають однакову кількість від’ємних та додатних зарядів, тобто є електрично нейтральними. Якщо потерти пластик об волосся, то відбувається перерозподіл зарядів. Одне тіло набуває надлишок додатних зарядів, а інше – від’ємних. Електризація тіл за рахунок тертя називається трибоелектризацією.

Не завжди відомо, якого заряду яке тіло набуває після електризації шляхом тертя. Це залежить від фізичних і хімічних властивостей речовин, із яких складаються тіла, що контактують.

У цій практичній роботі пропонується виготовити індикатор електростатичного заряду, який дасть можливість виявити не тільки факт наелектризованості тіла, а й знак електричного заряду, який це тіло має.

Робота індикатора ґрунтується на тому, що заряджені тіла утворюють навколо себе електростатичне поле, на яке зазначений пристрій і реагує.

Принципова схема індикатора представлена на рисунку 2.

Рис. 2. Принципова схема індикатора заряду

Основними елементами індикатора є польові транзистори Q1 та Q2 і антена, з’єднана з їхніми затворами. Оскільки струм польового транзистора фактично керується зарядом затвору, то він буде змінюватися залежно від заряду, наведеного на антені. Якщо піднести антену до наелектризованого тіла, навколо якого є електростатичне поле, то в антені за рахунок електростатичної індукції відбудеться перерозподіл зарядів, і на затворах транзисторів також з’явиться заряд такого самого знаку, як і заряд наелектризованого тіла.

Якщо антена має нейтральний заряд, обидва транзистори перебувають у частково відкритому стані, струм від джерела живлення йде через світлодіод VD1 і транзистор Q1 та через резистор R1, транзистор Q2 і світлодіод VD2. Обидва світлодіоди при цьому будуть світитися не дуже яскраво.

Якщо піднести антену до наелектризованого тіла з додатним зарядом, транзистори відкриваються сильніше, і червоний світлодіод VD1 починає світитися яскравіше. Оскільки при сильнішому відкриванні транзисторів опір їхнього каналу знижується, напруга на транзисторі Q2 також знижується, і синій світлодіод VD2 згасає.

Якщо антену піднести до наелектризованого тіла, що має від’ємний заряд, транзистори закриваються, червоний світлодіод VD1 згасає, а весь струм проходить через резистор R1, і синій світлодіод починає світитися яскравіше.

Отже, не дуже яскраве світіння обох світлодіодів відповідає нейтральному заряду, або відсутності електричного поля. Світіння червоного світлодіода відповідає додатному заряду тіла, синього – від’ємному.

Після складання пристрою та підключення до джерела живлення зазвичай починає яскраво світитися один зі світлодіодів. Це зумовлено тим, що в навколишньому просторі завжди є хоч трохи заряджені тіла та електростатичні поля, а чутливість індикатора досить висока. Але, якщо піднести антену до тіла, наелектризованого шляхом тертя, то індикатор однозначно покаже знак заряду цього тіла, оскільки після такої електризації тіла мають значно більший заряд, ніж навколишні предмети.

На рисунку 3 наведені назви та розміщення електродів польових транзисторів J108, J109, J110, J111 та J112 на позначенні в електричних схемах та у виробах у корпусі ТО-92.

Рис. 3. Позначення електродів польових транзисторів

Антена має вигляд з’єднувального проводу під макетні плати, одним кінцем з’єднаного із затворами транзисторів.

Хід роботи

1. На макетній платі складіть схему індикатора електростатичного заряду відповідно до схеми на рис. 2 з урахуванням даних про розміщення електродів польових транзисторів на рис. 3. При підключенні світлодіодів враховуйте, що вони пропускають струм у напрямку від аноду «+» до катоду «-». Довша ніжка світлодіода є анодом, а коротша – катодом. Приклад зібраної схеми наведено на рис. 4.
2. Підключіть до схеми живлення (рис. 1).
3. Доторкніться рукою до антени і з’ясуйте, який електричний заряд має ваше тіло.
4. Потріть пластикову ручку об волосся і піднесіть її до антени. З’ясуйте, якого заряду набув пластик під час тертя об волосся.
5. Поекспериментуйте з іншими матеріалами (наприклад скло, вовна, синтетичні та натуральні тканини, вата, різні сорти пластику).

Рис. 4. Приклад зібраної схеми індикатора електростатичного заряду

Аналіз даних

Дійдіть висновків щодо знаку електростатичного заряду, якого набувають тіла з різних матеріалів під час тертя одне об одне.