有惊无险的法拉第笼

仇民田

走进科技馆的磁电展区，观众会看到一个能容纳三五人的大金属笼子，它的说明牌上写着笼子上的电压可高达5×104 V.初次见到此件展品的观众也许会捉摸不透，这大铁笼子是干什么的?究竟有没有危险?其实它是一件高压电演示展品，叫法拉第笼(如图1).让我们跟随讲解员体验一次惊险刺激的高压电表演.

首先，讲解员讲到法拉第笼是由笼体､高压电源､电压显示器和控制部分组成，笼体与高压电源连接并且与大地绝缘，表演过程虽然惊险但绝对安全.然后，讲解员在电压还没有升高之前，请几位大胆的观众进入笼内，并关闭笼门.最后，由操作人员接通高压电源，将电压慢慢升高.当显示器上显示电压为5×104 V时， 操作人员拿来一根长长的杆子，叫做接地杆或放电杆，杆子的前端有一段铁丝，铁丝连地线，她用这根杆子的前部去接触笼子进行放电演示，只见长长的蓝白色电火花连续闪出，并发出啪啪的响声，像闪电一样(如图2).现场看起来确实让人有点心惊胆战!这时如果笼内观众将手贴在笼壁上，放电杆会向手掌接触笼子的位置放电.观众可看到，这时笼内人员的手掌虽然接近放电火花，但是笼内人员不仅不会触电，而且还可以体验到放电所产生的电子风的清凉感觉.

5×104 V的高压已远远超过人体的安全电压，笼内的人员怎么会安然无恙呢?原来，法拉第笼是一种用于演示等电势､静电屏蔽和高压带电作业原理的设备，它以电磁学的奠基人､英国物理学家法拉第的姓氏命名.法拉第笼是用金属网制成的笼子，它的下面由四个瓷绝缘柱支撑着，是一个封闭的导体，笼中的人与金属笼的电位相等，即等电位.当笼体的电压升高到5×104 V时，笼子里的人身上任何部位的电压也都是5×104 V，整个笼体与人是一个等电势体，二者并不存在电势差.另外，由于金属笼的“屏蔽”作用，使金属笼上的电荷全部分布于外表面，笼体内部电场为零，因而不会有电流产生.没有电流流过人体，人体就不会触电(人体触电的原因是身体的不同部位存在电势差，有强电流通过身体).外面的人敢去摸笼子吗?答案是否定的!这是因为外面的人是站在地上的，地面电压为零，而笼子电压是5×104 V，所以外面的人是万万不能摸笼子的.因此，在表演过程中，不参与表演的观众要站在离笼子1 m的隔离带以外;参与表演的观众也会被要求手指平放，而不要将任何一根手指伸出笼子外.

法拉第笼可以有效地隔绝笼体外的电场和电磁波干扰，这种现象叫静电屏蔽.高压带电作业操作员的防护服就是用金属丝制成，接触高压线时，防护服与人体形成等电位，人体不通过电流，起到保护作用.在一些精密仪器外面加一个金属罩，就能使之不受外界电场干扰.人们生活中使用的有线电视信号线､通信电缆外面都包有一层金属皮或金属网线，也是用来防止外界电场干扰的.很多人知道飞机和汽车的整体可被视为一个类似法拉第笼的装置，能起到法拉第笼的作用，所以在发生雷击时，人在飞机和汽车内是相对安全的.

法拉第是19世纪著名的英国物理学家，他主要从事电学､磁学､电化学等方面的研究，并在这些领域取得了一系列重大发现:他发现了电磁感应定律， 首先提出了电感线､磁感线的概念，为人类进入电气时代铺就了最重要的一块基石.法拉第执著地探寻大自然的奥秘，为人类文明做出了杰出贡献，永远值得后人学习.

责任编辑蔡华杰