“靜電屏蔽”實(shí)驗(yàn)探究

賈紅兵

在19世紀(jì)，著名的物理學(xué)家法拉第冒著被電擊的危險(xiǎn)，做了一個(gè)聞名于世的實(shí)驗(yàn)——法拉第籠實(shí)驗(yàn)：他把自己關(guān)在了一個(gè)封閉的金屬籠內(nèi)，并在籠外進(jìn)行強(qiáng)大的靜電放電，但放電時(shí)他并未受到任何影響，這是為什么呢？其實(shí)這就是靜電屏蔽現(xiàn)象。

1.課本實(shí)驗(yàn)

如圖1甲所示，使帶電的金屬球靠近驗(yàn)電器，由于靜電感應(yīng)，驗(yàn)電器的金屬箔片張開(kāi)，這表示驗(yàn)電器受到了外電場(chǎng)的影響。

如圖1乙所示，事先用金屬網(wǎng)罩把驗(yàn)電器罩住，使帶電的金屬球靠近驗(yàn)電器，則驗(yàn)電器的金屬箔片不張開(kāi)；即使把驗(yàn)電器和金屬網(wǎng)罩用導(dǎo)線連接，箔片也不張開(kāi)，這表示金屬網(wǎng)罩能把外電場(chǎng)擋住，使罩內(nèi)不受外電場(chǎng)的影響，可見(jiàn)導(dǎo)體殼（或?qū)w網(wǎng)罩）可以保護(hù)它所包圍的區(qū)域不受外界電場(chǎng)的影響。

由于導(dǎo)體球上的電荷分布較分散，造成驗(yàn)電器處場(chǎng)強(qiáng)較弱，指針（金箔）張開(kāi)的角度不大，演示效果不夠理想，我們也可用感應(yīng)起電機(jī)給裝有小鳥(niǎo)的金屬籠帶電，而金屬籠中的小鳥(niǎo)安然無(wú)恙，這樣增強(qiáng)演示效果。

2.輝光球的介紹

輝光球是一件娛樂(lè)性電子產(chǎn)品，外表是一個(gè)高強(qiáng)度的薄殼玻璃球，殼內(nèi)充入低壓惰性氣體，球內(nèi)中心處有一球形電極，球形電極內(nèi)由金屬絲彎繞后填充，底座內(nèi)裝有振蕩電路板，如圖2所示，當(dāng)電極電源接通后，球形電極上加有頻率為15-30Hz的高壓，在其周圍形成高壓電場(chǎng)，由于輝光球與感應(yīng)線圈等實(shí)驗(yàn)室高壓儀器相比更安全，且處在電場(chǎng)中的導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡的時(shí)間遠(yuǎn)小于輝光球的交變電場(chǎng)的周期，所以可以把輝光球產(chǎn)生的電場(chǎng)當(dāng)著靜電場(chǎng)處理。

3.用輝光球和氖管探究靜電屏蔽現(xiàn)象

現(xiàn)象一

當(dāng)我們手持氖管（可從測(cè)電筆中取）的一極從遠(yuǎn)處靠近輝光球時(shí)，氖管發(fā)光，且離輝光球越近，氖管發(fā)光越亮，這因?yàn)槭殖帜使芤粯O相當(dāng)于接地，氖管發(fā)光說(shuō)明另一極所在空間點(diǎn)與接地點(diǎn)間有一定電勢(shì)差，氖管越是靠近輝光球，氖管越亮，這說(shuō)明所測(cè)點(diǎn)離球殼越近，與接地點(diǎn)的電勢(shì)越大，電場(chǎng)越強(qiáng)，準(zhǔn)備好輝光球和氖管，下面我們開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。

手持氖管置于輝光球附近，氖管發(fā)出輝光，然后用另一只手拿著金屬籠逐漸罩住氖管，我們發(fā)現(xiàn)氖管不亮了，但如果給金屬籠接一個(gè)絕緣柄，然后手提絕緣柄去罩住氖管，如圖3所示，則氖管會(huì)發(fā)光，這是因?yàn)榻饘倩\罩住氖管后，由于靜電平衡，金屬籠內(nèi)部空間電勢(shì)處處與籠的電勢(shì)相等，而手又拿著金屬籠，所以籠又與人的電勢(shì)相等，這造成氖管兩極間沒(méi)有了電勢(shì)差，因此氖管就不亮了，當(dāng)手提絕緣柄去罩氖管時(shí)，雖然由于靜電平衡，金屬籠內(nèi)電勢(shì)處處相等，但并不與實(shí)驗(yàn)者本人的人體電勢(shì)相等，所以氖管的另一極與人所持一極之間存在電勢(shì)差，因此氖管發(fā)光。

現(xiàn)象二

將氖管置于一絕緣支架上并靠近輝光球，如圖4所示，會(huì)發(fā)現(xiàn)氖管發(fā)光，這時(shí)如果手拿金屬籠罩住氖管，則氖管不發(fā)光。

這是因?yàn)檩x光球周圍的空間電場(chǎng)很強(qiáng)，即使沒(méi)有用手拿著氖管的一極，氖管兩極間也會(huì)有足夠大的電勢(shì)差讓它發(fā)光（當(dāng)然亮度相對(duì)會(huì)弱一些），當(dāng)金屬籠罩住氖管后，籠內(nèi)空間電勢(shì)處處相等，氖管兩極之間沒(méi)有電勢(shì)差了，所以氖管不再發(fā)光。