“静电屏蔽”实验探究

贾红兵



在19世纪，著名的物理学家法拉第冒着被电击的危险，做了一个闻名于世的实验——法拉第笼实验：他把自己关在了一个封闭的金属笼内，并在笼外进行强大的静电放电，但放电时他并未受到任何影响，这是为什么呢？其实这就是静电屏蔽现象。
1.课本实验
如图1甲所示，使带电的金属球靠近验电器，由于静电感应，验电器的金属箔片张开，这表示验电器受到了外电场的影响。
如图1乙所示，事先用金属网罩把验电器罩住，使带电的金属球靠近验电器，则验电器的金属箔片不张开；即使把验电器和金属网罩用导线连接，箔片也不张开，这表示金属网罩能把外电场挡住，使罩内不受外电场的影响，可见导体壳（或导体网罩）可以保护它所包围的区域不受外界电场的影响。
由于导体球上的电荷分布较分散，造成验电器处场强较弱，指针（金箔）张开的角度不大，演示效果不够理想，我们也可用感应起电机给装有小鸟的金属笼带电，而金属笼中的小鸟安然无恙，这样增强演示效果。
2.辉光球的介绍
辉光球是一件娱乐性电子产品，外表是一个高强度的薄壳玻璃球，壳内充入低压惰性气体，球内中心处有一球形电极，球形电极内由金属丝弯绕后填充，底座内装有振荡电路板，如图2所示，当电极电源接通后，球形电极上加有频率为15-30Hz的高压，在其周围形成高压电场，由于辉光球与感应线圈等实验室高压仪器相比更安全，且处在电场中的导体达到静电平衡的时间远小于辉光球的交变电场的周期，所以可以把辉光球产生的电场当着静电场处理。
3.用辉光球和氖管探究静电屏蔽现象
现象一
当我们手持氖管（可从测电笔中取）的一极从远处靠近辉光球时，氖管发光，且离辉光球越近，氖管发光越亮，这因为手持氖管一极相当于接地，氖管发光说明另一极所在空间点与接地点间有一定电势差，氖管越是靠近辉光球，氖管越亮，这说明所测点离球壳越近，与接地点的电势越大，电场越强，准备好辉光球和氖管，下面我们开始实验。
手持氖管置于辉光球附近，氖管发出辉光，然后用另一只手拿着金属笼逐渐罩住氖管，我们发现氖管不亮了，但如果给金属笼接一个绝缘柄，然后手提绝缘柄去罩住氖管，如图3所示，则氖管会发光，这是因为金属笼罩住氖管后，由于静电平衡，金属笼内部空间电势处处与笼的电势相等，而手又拿着金属笼，所以笼又与人的电势相等，这造成氖管两极间没有了电势差，因此氖管就不亮了，当手提绝缘柄去罩氖管时，虽然由于静电平衡，金属笼内电势处处相等，但并不与实验者本人的人体电势相等，所以氖管的另一极与人所持一极之间存在电势差，因此氖管发光。
现象二
将氖管置于一绝缘支架上并靠近辉光球，如图4所示，会发现氖管发光，这时如果手拿金属笼罩住氖管，则氖管不发光。
这是因为辉光球周围的空间电场很强，即使没有用手拿着氖管的一极，氖管两极间也会有足够大的电势差让它发光（当然亮度相对会弱一些），当金属笼罩住氖管后，笼内空间电势处处相等，氖管两极之间没有电势差了，所以氖管不再发光。