测电笔

想知道concept的确切含义,用 school physics concepts 作为关键词搜索,看到quora一篇文章 What are the main concepts in physics that high school students (in the US or other countries) struggle with?文中一个中国人提到第26届全国高中生物理竞赛试题。看了一眼这份试题,其中测电笔题目引起我的注意。参考答案讲到电工鞋着地时,人体跟大地之间构成电容,这样测电笔跟周围构成闭合电路。凭直觉,我判断:即使人体远离地面,人体容纳电荷的能力少不了多少,从而测电笔仍然可用。然后进行了一些搜索。

1,氖泡,60伏特以上,气体导电而发出辉光。
2,百度电工吧,一楼,“穿绝缘鞋用电笔为什么会亮?”:“当然如果人在远离地面和墙壁的空中去测试,由于人与大地的分布电容很小,容抗很大,测电笔中的氖管就不会发光了。”有一个读者发出质疑“那为什么站在木头梯子上也亮?”。一楼给予了答复,似乎又否定了他自己前面的叙述。
3,wikipidia,“capacitance”:提到半径20厘米球体的自电容是22皮法,与半径成正比。
在会议论文 IMEKO-WC-2012-TC13-P5.pdf 有数学估测,也有实验验证:人体跟大地互电容,大约80-160皮法左右。
4,wikipedia “test light” :正文,”Screwdriver-type test lamps are very inexpensive, but cannot meet the construction requirements of UK GS 38.”
正文:“ A neon lamp takes very little current to light, and thus can use the user’s body capacitance to earth ground to complete the circuit.”
图片说明:“Neon screwdriver test light in use. Current flows through a high ohm resistor and the lamp and the distributed capacitance and resistance of the user’s body.”
(尚未核实Stray capacitance ,Parasitic capacitance,distributed capacitance是不是同一意思。)
5, https://zhidao.baidu.com/question/1768073756102174820.html,串联电阻0.5M~10M。

我的计算和看法

由”半径20厘米球体的自电容是22皮法”,可估计人体自电容比22皮法大2-3倍。假设橡胶鞋底面积0.04平方米,厚度0.01米,介电常数3,鞋底下方是潮湿地面或金属地面,可估算互电容为108皮法.

就100皮法电容来说,阻抗为1/(2*3.14*50*100)*1012=30M欧姆假设串联电阻1M欧姆。这时220/30=5微安。这是人体不接地情况下的交流电流有效值。如果人体不接触测电笔金属部分,那么金属部分本身自电容太小,小两个数量级,电流将减小两个数量级,亮度不够。

人体接地时,220伏特/0.5M欧姆=440微安,或者,220伏特/10M欧姆=22微安。

既然人体自电容比人体跟大地之间的互电容小不了多少,那么在阐述测电笔原理时,不应该强调人体大地构成互电容,指出人体自电容就够了。答卷者的回答如使用自电容术语,那么也是对的,而且可以加分。