这是一个“场”的世界，且不说我们时时刻刻沐浴在大自然的重力场，磁场和电场之中，即使与人孤处斗室，也有对方的气场环绕。

　　在《Motion Mountain》 第3册第209页，ChristopherSchiller曾对电场做了如下陈述：你们知道吗，1752年人们就发现，晴天里，空间存在着一个100-300V/m的垂直电场。而地球是一个永久带负电的物体，在晴天，电流会从空中向下流动（电子向上流动），可以想象成我们的星球在放电。

　　我们来感受一下重力，试着上下跳一跳。或者我们可以用一根带磁的罗盘小针来检测磁场。的确，这些力场都很容易测量。与此相比，电场却要神秘的多，因为屋子里往往没有，这给检测添了点麻烦。看看下面这张图：

　　图1 地面上的导体扰乱电场，灰色是电势，红色是电场线

　　每一个放在地面上的导电物体都会扭曲电势和电场线。与空气相比，房子，树木，人体相对来说都是很好的导电物体，所以地面上的建筑内部往往没有电场存在。这就让测量电场变得富有挑战了，由此我们不得不关注一个大的学科：大气物理。其中的“电势梯度”指的就是电场。列在标题“大气电力”下方的图表数据，显示了电场测量的实验地点：英国雷丁大学。

　　大气电场仪

　　如果做一点背景阅读就会知道“大气电场仪”是一种最常见的电场测试装置，典型的结构如下图：

　　图2装置示意图与电路连接

　　1.旋翼：连接到大地的电位，由电机带动（5号）

　　2.固定的板：与大地隔离（也被称为感应板）

　　3.底板：同样与大地导通

　　4.转速计：有三块黑白相间的栅格，形成光开关

　　5.电机：给旋翼提供动力

　　6.充电放大器

　　7.混频器：在这里实际上是一个基于AD633芯片的乘法器电路

　　8.低通滤波器

　　9.中心零点计

　　从下图我们可以看到，5号组件是一只小电机，轴上固定了一块小碟片。

　　图3 电机和转速计照片

　　在碟片的沿径向画上三块黑色和三块白色条纹，再用一个光收发器对准它。这样反射回来的光电信号就是一个方波输出了。（收发器型号RS 307-913 or 或OptekOPB704W-Z）。电机同时也带动旋翼转动（1号部件）。

　　底板（3号部件）使用一个铁质的饼干桶剪出来的，电机的转轴从中心穿透过去。

　　充电感应板（2号部件）通过绝缘柱，由铁罐支撑，交替着接触和屏蔽旋翼板的电场。

　　如图4所示，这套仪器/机构，放在地平面上。固定部分和旋转的叶片都封在饼干桶里面，盖子盖上的时候罐子里的电场为零。这个桶也提供了良好的屏蔽，来消除电机噪声的强烈干扰。

　　充电放大器装在一个单独的金属盒里面，和固定的板相连（部件2）。如果放大器的信号得到矫正，那么只能知道场强的幅度，而无法测知方向。通过加入一个混频器，我们就有了同步调制，从而能够得知场强的方向，并且可以极大地降低噪声。也有商用仪器（Model 410 Scitech Instruments Ltd） 直接能够实现这个功能，这里我们用了一种更加廉价的代替方式。如图5所示：

　　图5 乘法器电路，将转速计输出与充电放大器输出相乘

　　接着，在感应板的旁边放一个带电物体，就能测得如下图的波形。

　　图6 把一个带点的塑料杆靠近装置时捕获的波形

　　乘法器的输出和转速计输出同步观察如下图：

　　图7 转速计和乘法器输出信号

　　以上这两组波形都是用Pico示波器PicoScope 5242A读取的。乘法器的输出再经过一个低通滤波器，进入中心零点计读数。

　　初步结果

　　经过上面的设置，我们就能肯定经过滤波的输出电压与大地的场强成正比，而图7展示的就是一个晴朗天气下，户外的实测波形。

　　经过标定，输出的波形以mV为单位的就可以换算成场强V/m. 因此，大气场强仪在地表的电场大小即为120（±20） V/m. 因为盖子打开时的读数170mV需要减去盖子合上时的50mV本底。我们还进一步在雷暴雨天气做了测量。

　　整个装置，于早晨8:15分放置到开阔空间，记录波形到8:30时，信号超出了量程，原因是有一个较大的负脉冲发生。然后我们调整了探头的衰减比例到10：1重新测量，期间多次合上盖子，以标记几个时间段的起始。

　　图8 暴风雨来临前大地的电场变化图，饼干桶盖子在下列时间段合上：30-70s,107-140s,230-260s, 350-380s.

　　在图8中，我们看到地球的电场从负到正变化，只持续30秒时间，然后正的信号又在100秒时间内变为负数。600s过后，仪器不得不移回屋内，因为开始下雨了。雷鸣和闪电紧随其后。由此可见整个过程中电场是在600V/m-1KV/m之间变化的。

　　下面重点来了：PicoScope5242A是数据记录的理想设备，因为它的时间长度可以设置到5000s/div之久，也就是一共记录5万秒的时长。如果运用SDK，这个时间可以更久。实际上有些其他示波器也能设置很长的采集时间，但是因为存储深度远没有PicoScope 5252A这么高（512MS），因此长时间采集的采样率太低，没办法准确地记录波形。以下是在晴好天气下的记录5分钟的实测曲线。

　　图9 晴天的大气电场曲线

　　第1分钟，饼干桶盖子是合上的，接下来则完全打开。

　　结论

　　在晴天，大地的电场在120V/m 大小附近，但是这个结果的测量精度预期不会好于±20%. 这大概和Schiller的陈述相符合。还有50mV左右的差异，多半是因为旋翼尺寸不合适，或者转速计上的黑白条纹手绘的不理想。

　　实测的结果表明，在不同的天气条件下，地表电场差别甚大。晴好天气下稳定在120V/m，其它的则不好说。

　　作为一个手工打造的DIY设备，本装置的信噪比不高。如果能把乘法器换成一个相位灵敏度检测器（PSD, PhaseSensitive Detector），也许能够改善结果。PSD可以极大地简化设置过程，灵活地修正充电放大器输出信号的增益和相位。