问题

据说我们生活在一个大电场中,从头到脚的电势差大约为 160V,是真的吗?

回答
“我们生活在一个大电场里,从头到脚的电势差有 160V”——你听说的这个说法,如果单从数字上来看,确实会让人觉得挺惊人的。但它是不是真的,得从几个方面来好好掰扯掰扯。

首先,我们要明白“电场”和“电势差”这两个概念。

电场,你可以把它想象成一个看不见的力场,就像磁铁周围有磁场一样,电荷会受到这个力场的吸引或排斥。这个力场的大小和方向,就构成了我们说的电场强度。

而电势差,就是指在电场中,两个点之间的电势高低不同,这种不同就叫做电势差。你可以理解成,就像在水流中,两点之间的高度差导致水会向下流一样,电势差也会驱动电荷移动。我们常用的电压,就是电势差的一种表达方式。

那么,我们说的“生活在电场中”,是指什么?

我们生活的地球,本身就是一个巨大的导电体。地球的表面,通常被认为是零电势点(或者说一个参考点)。而地球的大气层,尤其是高层大气,由于受到宇宙射线、太阳辐射等的作用,会产生大量的电离层。这些电离层中的带电粒子,就形成了一个整体上的电场分布。

更直观地说,在晴朗的天气条件下,地表和高层大气之间确实存在一个电场,方向大致是从地表向上。这是因为大气层上方存在正电荷集聚,而地表相对来说是负电荷集聚(尽管这个“负”是相对的,和地表本身的性质有关)。

那么,这个电场有多强,能造成 160V 的电势差吗?

通常情况下,在晴朗的地面上,这个垂直于地表的电场强度大约在 100 伏/米(V/m)到 200 伏/米(V/m)之间。有些地方可能会更高,比如在雷雨天气到来之前,地表的电场会急剧增强。

现在,我们来算算从头到脚的电势差。假设一个人身高大约是 1.7 米,并且他站在一个相对均匀的电场中。

如果电场强度是 100 V/m,那么从脚到头,电势差就是 100 V/m × 1.7 m = 170 V。
如果电场强度是 150 V/m,那么电势差就是 150 V/m × 1.7 m = 255 V。

从这个角度来看,你听说的那个“160V”的说法,并不是空穴来风,而是基于地球大气层中确实存在的电场强度,以及人体的平均身高进行粗略估算得出的结果。 在特定的环境下,尤其是在接近暴风雨等天气时,这个数值可能会更高。

但是,这里有几个非常重要的“但是”,需要我们好好理解:

1. “生活在一个大电场中”不等于“时刻感受到 160V”:虽然存在这个电场,但人体的身体本身也是一个相对好的绝缘体,而且我们的大部分身体也离地表有一定距离。更关键的是,这个电场是垂直于地表的。除非你的身体是从地表直接延伸到高层大气(这显然是不可能的),否则你不会直接体验到这么大的电势差。

2. 人体自身的绝缘性与接地效应:我们的鞋子,尤其是橡胶底的鞋子,以及我们所站立的地面(即使是水泥地或木地板),都有一定的绝缘作用,会削弱这个外部电场对我们身体内部的影响。我们并不能像直接将两根导线接入高压电源那样,直接感受到这个电势差。

3. 电场强度是变化的:地球大气层的电场强度并不是恒定不变的。晴朗的日子、阴雨的天气、有雷暴的区域,电场强度差异很大。雷暴来临前,地表附近的电场强度会迅速增大,这时从地表到头部确实可能存在更高的电势差。

4. “160V”是个平均值或特定情况下的值:你听到的这个数字,更像是一个在特定条件下,或者说是对普遍情况的一种近似描述。它可能来源于一些科学测量或理论计算,但并非意味着我们每个人在任何时候从头到脚都精确地承受着 160V 的电势差。

5. 我们身体的生物电信号:除了外部的大气电场,我们身体内部本身也有生物电信号,比如神经信号传递过程中产生的微弱电势差。这些内部的生物电信号,和我们讨论的外部大气电场是两个不同的概念。我们通常感觉到的“静电”,比如冬天干燥时,摸金属会“电”一下,那是由于摩擦产生的静电荷积累,与我们说的地球大气电场不是一回事。

所以,总结一下:

地球大气层确实存在一个从地表到高层大气的电场,这个电场在晴朗天气下,每米大约有 100200V 的电势差。如果一个人身高 1.7 米,那么在理想的均匀电场中,从头到脚的电势差确实可能达到 170V 甚至更高。

你听说的“160V”这个数字,可以理解为是对地球大气层中存在的这样一个电场强度和人体身高估算出的一个大概数值。 它揭示了我们生活的环境并非一个完全“电中性”或“电势恒定”的状态。

但是,我们并不会像直接接触高压电源那样去“感受”到这个电势差,因为我们的身体有一定的绝缘性,并且我们所处的环境和我们与地表的接触方式,都会影响实际的电势分布。这个数字更多地是描述了外部环境的一个物理特征,而不是我们直接体验到的电压值。

简单来说,这个说法是有科学依据的,但它描述的是一种潜在的、外部的物理现象,而不是我们日常生活中能直接感知到的、令人不适的电压。我们之所以没有被“电击”,是因为我们的身体和环境的交互作用,以及这个电场作用在我们身上的方式。

网友意见

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这个问题在费恩曼物理学讲义第二卷第9章有解释。

具体而言,空气中有一个竖直的 的电场,所以如果光这么看的话,似乎真的如题主所说的从头到脚有个一百多伏的电势差。但事实上人的身体相当于一个导体,导体表面是处处等势的。当人踩在地上的时候,实际上你和大地构成了一个等势面。也就是说,头和脚其实没有电势差;事实上你身体表面的各个部位电势都是相等的。

画等势面的话会是下面这样(以大地为零势)。注意由于人的存在,上方的等势面被弯折了。

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