A villamos tér az ember számára közvetlenül nem érzékelhető. A villamos tér a villamos töltésekre gyakorolt erőhatása, vagy azon tulajdonsága segítségével jeleníthető meg, hogy szigetelő anyagokat vezetővé képes változtatni. Az utóbbi az átütés létrejöttének jelensége.

A villamos tér megjelenítésére villamos szikra létrehozása nélkül a villamos tér erőhatásán keresztül van mód.

A villamos tér kísérleti kimutatására szolgáló eszközök az elektroszkópok. Az elektroszkópok a villamos teret valamely villamos töltéssel rendelkező testnek erőhatás ellenében történő elmozdulásával mutatják ki.

A villamos tér erőhatásán alapulnak a villamos térerősségvonalak (erővonalak) megjelenítésének különböző módszerei is. Az erővonalak megjeleníthetők például olymódon, hogy töltéssel rendelkező fémlemezre üveglapot teszünk és arra gipsz kristályport szórunk, vagy a fémlapot ricinusolaj-réteggel bevonva arra búzadarát szórunk. A gipsz és a búzadara szemcséi az erővonalak mentén rendeződnek el.

Szintén erőhatáson alapul a villamos térnek a csúcshatás segítségével történő megjelenítése, bár más jelenségek, a polarizáció és a töltésátadás is szerepet játszik a folyamatban. Nagyon kis lekerekítési sugarú csúccsal rendelkező testet elegendő mértékű villamos töltéssel ellátva a csúcs közelébe helyezett gyertya lángja elhajlik, vagy az oda helyezett Segner-kerék forogni kezd. Az erőhatást a gyertya lángjára vagy a Segner kerékre az elektromos szél okozza. A jelenség oka az, hogy a csúcs közelében fellépő nagy erősségű villamos tér a környező levegő molekuláit megosztás révén polarizálja, emiatt magához vonzza, majd az érintkezés után a pozitív töltésűvé váló részecskéket eltaszítja magától. Ez a taszító erő hajlítja el a gyertya lángját, illetve hozza forgásba a Segner kereket.

Elegendően nagy erősségű villamos tér olymódon is szemléltethető, hogy a villamos teret létrehozó testhez eltérő potenciálú, például földpotenciálon levő (földelt) testet közelítünk. Bizonyos távolságot elérve a két test között villamos szikra alakul ki, a köztük levő levegő vezetővé válik, átüt.

1.2.1 ábra: A villamos töltések által létrehozott statikus villamos tér megjelenítése elektroszkóppal a töltések egymásra gyakorolt erőhatása révén

1.2.2 ábra: Az erővonalak megjelenítése búzadara szemcsékkel a villamosan töltött test közelében

1.2.3 ábra: A csúcshatás kimutatása Segner-kerék segítségével

(Ld. még: Elektroszkópok, Elektrométerek, Elektrosztatikus generátorok, Átütés szigetelőanyagokban, A villamos tér a gyakorlatban.)

 


1.2.1.1 Elektromos inga

A villamos teret vagy valamely test villamosan töltött állapotát az ember közvetlenül nem képes érzékelni. A villamos tér kísérleti kimutatására szolgáló eszközök az elektroszkópok.

Az elektroszkópok a testek elektromos állapotának kimutatására szolgáló, egyszerű berendezések. Az elektroszkópok a töltések jelenlétét azok egymásra gyakorolt erőhatása révén mutatják ki.

 

 

A legegyszerűbb elektroszkóp az elektromos inga, amelyet száraz selyemszálon függő bodzabél golyó alkot. A bodzabél golyót célszerű fémbevonattal ellátni, hogy a golyó töltése egyszerűen eltávolítható legyen. Az ingához villamos töltéssel rendelkező testet közelítve, az ingát magához vonzza, majd vele érintkezve eltaszítja azt.

1.2.1.1 ábra: Kísérlet elektromos ingával

 

Az elektromos kettős inga szigetelő állványra szerelt fémkengyelre vékony fémhuzalokkal felfüggesztett, könnyű, vezető anyagú golyókból áll. A fémkengyelre töltést adva a golyók eltaszítják egymást.

1.2.1.2 ábra: Az elektromos kettős inga vázlatos felépítése

 

A lemezes elektroszkóp érzékenyebb berendezés. Huzalhálóval burkolt üvegedénybe szigetelő dugón keresztül fémrúd nyúlik be, amelynek alsó végére vékony fémlemezek vannak erősítve. A rúd felső végén elhelyezkedő fémgömbre töltést adva a lemezek szétágaznak.

1.2.1.3 ábra: A lemezes elektroszkóp vázlatos felépítése

 

A Franklin-féle tábla szigetelőlábra függőlegesen felszerelt üvegtáblából, az arra mindkét oldalon ráhelyezett vezetőfóliából valamint a mindkét oldalra felfüggesztett vezetőanyagú golyókból áll.

A tábla egyik oldalán lévő vezetőanyagú fegyverzetet villamos töltéssel feltöltve az megosztást okoz a másik oldali fegyverzeten, ellenkező nemű töltéseit magához vonzza, míg az azonosakat taszítja. Ha az eltaszított töltéseket a másik oldali fegyverzet leföldelésével eltávolítjuk, akkor az üveg felőli oldalon az ellenkező nemű töltések megmaradnak, fenntartva a túloldali fegyverzetben a megosztást annak leföldelésekor. A fóliákon ekkor egynemű töltések maradnak vissza, amelynek kisütése a két fegyverzet szikraközzel történő összekötésével valósítható meg. Franklin ezzel azt bizonyította, hogy töltések keletkezésekor mindig azonos mennyiségben jön létre két különböző nemű töltés.

1.2.1.4 ábra: A Franklin-féle tábla

(Ld. még: Elektrométerek, Elektrosztatikus generátorok, Átütés szigetelőanyagokban, A villamos tér a gyakorlatban.)

 



Az elektrométerek az elektroszkópok kvantitatív mérésekre alkalmas változatai. Az elektrométerek skáláit feszültségre vagy töltésmennyiségre hitelesítik. Az elektrométereket másként elektrosztatikus voltmérőknek is nevezik.

Az elektrométer mozgó és álló elektródáin a közöttük lévő C kapacitással arányos, Q = C× U nagyságú töltés válik szét a rákapcsolt U feszültség hatására. A skálán a kitérést az elektródák közötti erőhatás határozza meg, ami a töltéssel és az elektródák közötti villamos térerőséggel arányos. Mivel a villamos töltés és a térerősség egyaránt a feszültséggel arányosan nő, így a kitérés is azzal arányos.

A töltésre hitelesített elektrométer csak akkor ad helyes eredményt, ha az elektródára kapcsolódó vezető részek kapacitása mindig ugyanakkora.

 

A Braun-féle elektrométerben az ablakkal ellátott fémházban elhelyezett mutató a mögötte levő beosztáson jelzi a ráadott töltés, illetve feszültség értékét.

1.2.2.1 ábra: A Braun-féle elektrométer vázlatos felépítése

 

Az Exner-féle elektrométer fémházban elhelyezett alumíniumlemezek szétválásának mértékéből mutatja meg a feszültséget, amelyet a fémházon kívül elhelyezett beosztásnak az elektrométer üveg előlapjára vetülő tükörképéről nagyítólencse segítségével kell leolvasni. Mérés előtt a műszert kalibrálni kell. Szállításkor a kétoldalt a házból kinyúló rudakat be kell tolni, így az alumíniumlemezeket a belül elhelyezett fémlapok leszorítják (arretálják).

1.2.2.2 ábra: Az Exner-féle elektrométer vázlatos felépítése

 

A Thomson-féle kvadráns elektrométer elfordulásra képes, piskóta alakú fémlemezére ismert töltést helyezve és az alatta elhelyezkedő, négy felé vágott lemez egymással vezetően összekötött szemközti lapjaira a mérendő feszültséget ráadva a piskóta alakú lemez a feszültséggel arányos mértékben elfordul, egy skálán jelezve a feszültség nagyságát.

1.2.2.3 ábra: A Thomson-féle kvadráns elektrométer vázlatos felépítése

 

A Thomson-féle abszolút elektrométer egy mozgó és egy rögzített fémlemezből áll, amelyekre a mérendő feszültséget kapcsolva a mozgó lemez egy csukló körül a feszültséggel arányosan egy súly ellenében a töltések vonzó hatása miatt elmozdul. Az erőt mérve a feszültség a korongok méreteinek ismeretében közvetlenül meghatározható.

1.2.2.4 ábra: A Thomson-féle abszolút elektrométer vázlatos felépítése

 

A kétfonalas elektrométerben az alul elhelyezett kvarckengyel segítségével kifeszített, két, vékony platinaszál a töltés hatására távolodik egymástól, amit a fémházzal összekapcsolt huzalkengyelekben megosztással létrejövő töltések vonzó hatása felerősít. A távolságnövekedés mikroszkóppal vagy vetítéssel olvasható le. A készülék előnye, hogy a fonalak gyorsan beállnak egyensúlyi helyzetükbe.

1.2.2.5 ábra: A kétfonalas elektrométer vázlatos felépítése

 

Sokkal érzékenyebb műszer készíthető a mozgó részre ható térerősségnek a mérendő feszültségtől független térerősség külső feszültségforrás segítségével történő létrehozásával. A kvarckengyellel enyhén kifeszített, 1-2 µm vastagságú platinahuzalnak (Wollaston-drót) a fémház és a huzal közé kapcsolt feszültséggel arányos kitérése mikroszkóppal olvasható le.

1.2.2.6 ábra: A segédteres elektrométer vázlatos felépítése

(Ld. még: Elektroszkópok, Elektrosztatikus generátorok, A villamos tér a gyakorlatban.)

 


1.2.3.1 Van de Graaff generátor

Sokáig az anyagok elektromos állapota előidézésének, vagyis a villamos töltések szétválasztásának egyetlen módjaként az elektrosztatikus generátorokat ismerték. Az első ilyen berendezést Guericke, Magdeburg polgármestere készítette 1672-ben, amely az elektromos állapotot kéngolyó dörzsölésével hozta létre.

Az elektrosztatikus generátorok a kétféle villamos töltés szétválasztásával statikus villamos tér előállítására alkalmas berendezések.

Néhány ma is alkalmazott berendezés:

- Forgó üvegkorong foncsorozott bőrpárnákhoz dörzsölődik; a korong pozitív töltését fémcsúcsok vezetik el egy konduktorra, a bőrpárnák negatív töltése pedig a velük összekötött másik konduktoron halmozódik fel.
- Az elektrofor működése a töltésmegosztáson alapul. Fémlapra helyezett ebonit lemezen szőrmével megdörzsölve negatív töltés halmozódik fel. Az ebonit lemezre szigetelő nyéllel ellátott fémtárcsát helyezve, annak alsó részén, az ebonittal szomszédos részén pozitív, felső részén pedig negatív töltések válnak szét. A fémtárcsa felső részét leföldelve a negatív töltések eltávoznak, és az ebonitról felemelve a rajta levő pozitív töltés felhasználható. Az eljárás dörzsölés nélkül többször megismételhető.

Az előbbiekben ismertetett elektrosztatikus generátorok működése a szigetelőanyagok összedörzsölésével előidézett, valódi érintkezésekor bekövetkező töltésátadás jelenségén alapszik.

 

A Van de Graaff generátorban motorral hajtott, selyem vagy más, alkalmas anyagú szalag a feszültségforrás segítségével néhány ezer volt potenciálra emelt csúcs közelében az abból a csúcshatás miatt távozó töltéshordozók révén töltésre tesz szert, amit a nagy méretű fémgömb belsejében levő másik csúcs szív le az oda behaladó szalagról. A töltés a fémgömb felületén oszlik el, így annak belsejébe tetszőleges mennyiségű töltés vihető be akadálytalanul. A fémgömb akár több millió volt feszültségre feltölthető, határt ennek csak a gömb szigetelése, illetve távolsága szab a környező tárgyaktól.

A környező tárgyakhoz képest nagy feszültségen levő elektróda és környezete között folyamatosan szivárgó áram folyik. A koronakisüléshez tartozó villamos térerősséget elérve a szivárgó áram nagymértékben megnő, így az elektróda átmérőjétől függően azon nem halmozható fel tetszőleges mennyiségű töltés.

1.2.3.1 ábra: A Van de Graaff generátor vázlatos felépítése

Ma a Van de Graaff generátor a gyakorlatban leggyakrabban alkalmazott elektrosztatikus generátor.

(Ld. még: Elektroszkópok, Elektrométerek, Az influenciagép, Átütés szigetelőanyagokban, A villamos tér a gyakorlatban.)

 

Az influenciagép a töltésmegosztás elvén működik. Az influenciagép egyik változatában két ebonit korong forog egymással ellentétes irányban. Mindkettőnek külső oldalára fémszalagok vannak szektoros elrendezésben felragasztva. A fémszalagokhoz fémrúddal összekötött fémecsetek (E) dörzsölődnek. Mindkét koronggal érintkezésben van továbbá két szívószerkezet (S), amelyek konduktorokkal (K) vannak összeköttetésben. A szektor a fémecsethez dörzsölődve pozitív villamos töltést nyer, ami, tovább forogva, a másik tárcsa vele szemközti szektorába negatív töltést vonz, és a fémes összeköttetés révén a másik tárcsa ellentétes oldalán levő szektorában pozitív töltés halmozódik fel. A negatív töltéssel rendelkező szektor az előbbi tárcsával ellentétes irányba forogva annak szektorain újabb negatív töltések szétválását eredményezi, ismét pozitív töltést halmozva fel ezen tárcsa ellentétes oldali szektorában. A szívók ennek következtében egyre nagyobb pozitív illetve negatív töltést halmoznak fel a konduktorokon.

1.2.3.2 ábra: Az influenciagép vázlatos felépítése

(Ld. még: Elektroszkópok, Elektrométerek, Van de Graaff generátor, Átütés szigetelőanyagokban, A villamos tér a gyakorlatban.)