Чтобы измерить разность электрических состояний между точкой на металле и землёй, применяют электрометр или вольтметр с высоким входным сопротивлением. Для точных расчётов учитывают радиус кривизны поверхности: острые выступы создают локальные увеличения напряжённости поля. Например, для сферы с зарядом Q и радиусом R формула принимает вид φ = kQ/R, где k – постоянная Кулона.
Металлические объекты в электростатическом равновесии имеют одинаковое значение электрического состояния во всех точках. Это подтверждается опытами с полыми и сплошными шарами: при подключении к источнику высокого напряжения, показания приборов не зависят от формы. Однако при наличии внешних полей распределение поверхностной плотности зарядов меняется – максимумы наблюдаются на участках с меньшим радиусом кривизны.
Экспериментально установлено, что воздух начинает ионизироваться при напряжённости около 3 МВ/м. Для предотвращения пробоя закруглите края проводящих элементов или используйте экранирование. В высоковольтных устройствах применяют сферические электроды – их геометрия снижает риск коронного разряда.
Распределение заряда на поверхности и факторы влияния
Заряд скапливается на внешней оболочке из-за взаимного отталкивания частиц. Плотность выше на участках с меньшим радиусом кривизны – острые края и выступы притягивают больше частиц.
Геометрия формы определяет неравномерность:
- На сфере частицы распределяются равномерно.
- На эллипсоиде концентрация возрастает у полюсов.
- У иглы или конуса до 90% заряда сосредоточено на острие.
Пример: для металлического куба с ребром 1 см разница в плотности между гранью и углом достигает 300%.
Внешние поля меняют картину:
- При наличии стороннего источника частицы смещаются к ближайшему полюсу.
- Перераспределение происходит за 10-14–10-12 секунд.
Материал влияет на подвижность: в меди скорость движения частиц на 15% выше, чем в алюминии при 20°C.
Практические методы измерения электрического напряжения на поверхности металлических тел
Для точного определения разности электрических уровней применяют электрометры с высоким входным сопротивлением (1012 Ом и выше). Подключение к исследуемой точке выполняется через заземлённый экранированный провод.
Контактные способы
Используйте зонд с позолоченным наконечником для минимизации контактной разности потенциалов. Диаметр измерительного элемента не должен превышать 1 мм для локальных замеров. При работе с высокими напряжениями (свыше 1 кВ) применяйте делители с коэффициентом 1000:1.
Бесконтактные технологии
Вибрирующие конденсаторные датчики фиксируют изменения ёмкости между электродом и поверхностью с точностью ±0.1 В. Лазерные керровские системы позволяют дистанционно определять напряжённость поля с пространственным разрешением 50 мкм.
Для периодического контроля в промышленных условиях устанавливают стационарные измерительные головки с частотой опроса 100 Гц. Погрешность коммерческих систем не превышает 0.5% в диапазоне от -10 кВ до +10 кВ.
