Общий курс физики Том 3. Электричество - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
Допустим сначала, что маленький зонд А изолирован (рис. 60, а). При введении в электрическое поле зонд поляризуется. Положительные и отрицательные заряды немного смещаются в противоположных направлениях. Так как эти смещения малы, то внесение зонда исказит поле в окрестности точки А очень мало. На шарике и стрелке электрометра также возникают индукционные заряды противоположных знаков. Соединим теперь тонкой проволокой зонд А с шариком электрометра В (рис. 60, б). Тогда на зонде А останется электричество только одного знака, электричество противоположного знака перейдет на электрометр. Так как количество перешедшего электричества очень мало, то потенциал шарика В И стержня электрометра при этом практически не изменится. Не то будет с потенциалом зонда А. Геометрические размеры зонда малы. Небольшой заряд, ушедший с зонда, существенно меняет его потенциал. Зонд А принимает потенциал шарика и стержня электрометра. Таким образом, соединение зонда с электрометром практически не сказывается на угле отклонения стрелки. Показание электрометра не имеет никакого отношения к потенциалу, существовавшему в точке А до внесения в нее зонда.
Для возможности измерения потенциала необходимо, чтобы при внесении зонда в точку А зонд и соединенный с ним шарик электрометра приняли потенциал, существовавший в точке А до внесения зонда. Этого можно достигнуть, убирая индукционные заряды, образующиеся на зонде. В капельном зонде телом А служит малое ведерко, наполненное проводящей жидкостью. В дне ведерка имеется малое отверстие. Капли жидкости, уходящие через это от-
Рис. 60.
ИЗМЕРЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА
.85
верстие, уносят индукционные заряды, образующиеся на зонде. При этом заряды противоположного знака переходят с зонда на стержень и стрелку электрометра. Благодаря этому угол отклонения стрелки изменяется. В установившемся состоянии, когда зонд оказывается незаряженным, потенциал зонда становится равным потенциалу окружающего пространства. А так как зонд соединен проводником с шариком электрометра В, то потенциал последнего будет таким же. В результате электрометр покажет как раз тот потенциал, который надо измерить.
Рис. 61.
Удаление индукционных зарядов с зонда можно осуществить и другими способами. Например, зондом может служить кончик металлической проволоки, выступающий из диэлектрической трубочки, играющей роль газовой горелки (пламенный зонд). Благодаря высокой температуре пламени окружающий воздух немного ионизуется и становится проводящим. Образующиеся ионы снимают индукционные заряды с зонда и уносятся потоком окружающего газа. Аналогичная идея используется в радиоактивном зонде. На зонд наносится небольшое количество радиоактивного вещества, которое и создает нужную ионизацию окружающего газа. В том и другом случае на зонде устанавливается потенциал, равный потенциалу окружающего пространства до внесения в него зонда. То же самое происходит в проводящих жидкостях (электролитах), в которые погружены заряженные электроды. Здесь удаление
86
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
[ГЛ. I
индуцированных зарядов с зонда обеспечивается проводимостью самой жидкости.
5. Следующий демонстрационный опыт может служить для иллюстрации действия зонда. Холодный пламенный зонд помещается вблизи большого изолированного металлического шара (рис. 61). Пока зонд холодный, стрелка электрометра не отклоняется, если даже шар сильно зарядить. Но отклонение стрелки становится большим, если зажечь светильный газ, вытекающий из трубочки зонда. При приближении электрометра к шару отклонение стрелки увеличивается, при удалении — уменьшается. Стрелка стоит на месте при перемещении зонда по сферической эквипотенциальной поверхности, концентрической с поверхностью шара.
§ 21. Электрическое поле Земли
1. Электрическим зондом можно измерять и напряженность поля в диэлектриках, например газах. Надо измерить потенциал ф в различных точках пространства, а затем вычислить его градиент. Проще и точнее, однако, напряженность поля измеряется непосредственно. Один из способов состоит в следующем. Две параллельные металлические пластины (воздушный конденсатор) устанавливаются перпендикулярно к направлению измеряемого электрического поля (рис. 62). Пластины соединяются между собой через баллистический гальванометр, с помощью которого можно измерять величину заряда, прошедшего через цепь. Так как пластины соединены, то их потенциалы одинаковы, а напряженность электрического поля между ними равна нулю. Поле существует только снаружи
пластин и связано с поверхностной плотностью электричества соотношением Е — 4Я0 (в газах различием между D и Е можно пренебречь). Если зазор между пластинами мал по сравнению с их размерами, то можно также пренебречь влиянием краев пластин, считая величину а постоянной. Пластины быстро поворачивают на 90° в вертикальное положение. При этом через баллистический гальванометр проходит заряд q = So, где S — площадь пластины. Измерив q, можно вычислить 0, а затем и напряженность поля Е.
2. Подобные измерения показали, что земной шар заряжен отрицательно. Земное электрическое поле меняется ЕО времени. Эти изменения могут быть регулярными (суточными и годичными) и нерегулярными. В среднем напряженность поля усамой поверхности Земли составляет 130 В/м. Между двумя уровнями, отстоящими друг от друга на рост человека, существует разность потенциалов примерно 200 В. Человек не чувствует этой разности потенциалов и его не поражает ток потому, что сам он является хорошим проводником электричества. Как и всякий проводник, тело человека сильно искажает электрическое поле. Электрические силовые линии подходят к поверхности тела человека нормально, а эквипотенциальные поверхности огибают его совершенно так же, как они огибают металлический предмет. Все точки тела человека находятся под одним и тем же потенциалом.
