“靜電屏蔽”實驗探究

賈紅兵

在19世紀，著名的物理學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：他把自己關在了一個封閉的金屬籠內，并在籠外進行強大的靜電放電，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，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罩用導線連接，箔片也不張開，這表示金屬網罩能把外電場擋住，使罩內不受外電場的影響，可見導體殼（或導體網罩）可以保護它所包圍的區域不受外界電場的影響。

由于導體球上的電荷分布較分散，造成驗電器處場強較弱，指針（金箔）張開的角度不大，演示效果不夠理想，我們也可用感應起電機給裝有小鳥的金屬籠帶電，而金屬籠中的小鳥安然無恙，這樣增強演示效果。

2.輝光球的介紹

輝光球是一件娛樂性電子產品，外表是一個高強度的薄殼玻璃球，殼內充入低壓惰性氣體，球內中心處有一球形電極，球形電極內由金屬絲彎繞后填充，底座內裝有振蕩電路板，如圖2所示，當電極電源接通后，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，由于輝光球與感應線圈等實驗室高壓儀器相比更安全，且處在電場中的導體達到靜電平衡的時間遠小于輝光球的交變電場的周期，所以可以把輝光球產生的電場當著靜電場處理。

3.用輝光球和氖管探究靜電屏蔽現象

現象一

當我們手持氖管（可從測電筆中取）的一極從遠處靠近輝光球時，氖管發光，且離輝光球越近，氖管發光越亮，這因為手持氖管一極相當于接地，氖管發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，準備好輝光球和氖管，下面我們開始實驗。

手持氖管置于輝光球附近，氖管發出輝光，然后用另一只手拿著金屬籠逐漸罩住氖管，我們發現氖管不亮了，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，則氖管會發光，這是因為金屬籠罩住氖管后，由于靜電平衡，金屬籠內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，當手提絕緣柄去罩氖管時，雖然由于靜電平衡，金屬籠內電勢處處相等，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，因此氖管發光。

現象二

將氖管置于一絕緣支架上并靠近輝光球，如圖4所示，會發現氖管發光，這時如果手拿金屬籠罩住氖管，則氖管不發光。

這是因為輝光球周圍的空間電場很強，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光（當然亮度相對會弱一些），當金屬籠罩住氖管后，籠內空間電勢處處相等，氖管兩極之間沒有電勢差了，所以氖管不再發光。