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,做了一個聞名于世的實驗——法拉第籠實驗:他把自己關(guān)在了一個封閉的金屬籠內(nèi),并在籠外進(jìn)行強(qiáng)大的靜電放電,但放電時他并未受到任何影響,這是為什么呢?其實這就是靜電屏蔽現(xiàn)象。
1.課本實驗
如圖1甲所示,使帶電的金屬球靠近驗電器,由于靜電感應(yīng),驗電器的金屬箔片張開,這表示驗電器受到了外電場的影響。
如圖1乙所示,事先用金屬網(wǎng)罩把驗電器罩住,使帶電的金屬球靠近驗電器,則驗電器的金屬箔片不張開;即使把驗電器和金屬網(wǎng)罩用導(dǎo)線連接,箔片也不張開,這表示金屬網(wǎng)罩能把外電場擋住,使罩內(nèi)不受外電場的影響,可見導(dǎo)體殼(或?qū)w網(wǎng)罩)可以保護(hù)它所包圍的區(qū)域不受外界電場的影響。
由于導(dǎo)體球上的電荷分布較分散,造成驗電器處場強(qiáng)較弱,指針(金箔)張開的角度不大,演示效果不夠理想,我們也可用感應(yīng)起電機(jī)給裝有小鳥的金屬籠帶電,而金屬籠中的小鳥安然無恙,這樣增強(qiáng)演示效果。
2.輝光球的介紹
輝光球是一件娛樂性電子產(chǎn)品,外表是一個高強(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,由于輝光球與感應(yīng)線圈等實驗室高壓儀器相比更安全,且處在電場中的導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡的時間遠(yuǎn)小于輝光球的交變電場的周期,所以可以把輝光球產(chǎn)生的電場當(dāng)著靜電場處理。
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(可從測電筆中?。┑囊粯O從遠(yuǎn)處靠近輝光球時,氖管發(fā)光,且離輝光球越近,氖管發(fā)光越亮,這因為手持氖管一極相當(dāng)于接地,氖管發(fā)光說明另一極所在空間點與接地點間有一定電勢差,氖管越是靠近輝光球,氖管越亮,這說明所測點離球殼越近,與接地點的電勢越大,電場越強(qiáng),準(zhǔn)備好輝光球和氖管,下面我們開始實驗。
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絕緣柄,然后手提絕緣柄去罩住氖管,如圖3所示,則氖管會發(fā)光,這是因為金屬籠罩住氖管后,由于靜電平衡,金屬籠內(nèi)部空間電勢處處與籠的電勢相等,而手又拿著金屬籠,所以籠又與人的電勢相等,這造成氖管兩極間沒有了電勢差,因此氖管就不亮了,當(dāng)手提絕緣柄去罩氖管時,雖然由于靜電平衡,金屬籠內(nèi)電勢處處相等,但并不與實驗者本人的人體電勢相等,所以氖管的另一極與人所持一極之間存在電勢差,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,會發(fā)現(xiàn)氖管發(fā)光,這時如果手拿金屬籠罩住氖管,則氖管不發(fā)光。
這是因為輝光球周圍的空間電場很強(qiáng),即使沒有用手拿著氖管的一極,氖管兩極間也會有足夠大的電勢差讓它發(fā)光(當(dāng)然亮度相對會弱一些),當(dāng)金屬籠罩住氖管后,籠內(nèi)空間電勢處處相等,氖管兩極之間沒有電勢差了,所以氖管不再發(fā)光。