Ортогональность силовых линий и поверхностей равного потенциала облегчает как экспериментальное, так и теоретическое исследование электростатического поля. Если найдены значения векторов, напряженностей поля, облегчается задача нахождения поверхностей равного потенциала. Справедливо и обратное: найденное положение поверхностей равного потенциала позволяет построить силовые линии ноля.
Теоретически, как правило, легче вести расчет потенциалом, чем напряженности поля, так как первые величины скалярные, а вторые - векторные. Экспериментально измерения потенциалов также оказываются проще, чем измерения напряженности поля, так как большинство приборов, пригодных для изучения полей, измеряют разность потенциалов, а не напряженности поля. В настоящей работе экспериментально изучается распределение потенциалов поля, а не напряженности этого поля. Силовые линии изучаемых полей строятся как ортогональные к экспериментально найденным поверхностям равного потенциала.
Основой изучения распределения потенциалов в электростатическом поле является так называемый метод зондов. Его сущность заключается в следующем: в исследуемую точку поля вводился специальный дополнительный электрод - зонд, по возможности устроенный так, чтобы он минимально нарушал своим присутствием исследуемое поле. Зонд соединяется проводником с прибором, измеряющим приобретенный зондом в поле потенциал относительно потенциала какой-нибудь точки поля, принятого за нулевой. При этом необходимо обеспечить такие условия, чтобы зонд принял потенциал той точки поля, в которую он помещен. Тогда показания прибора, соединенного с зондом, будут давать правильную картину распределения потенциалов в исследуемом поле.
Сложности работы с зондами и вообще трудности электростатических измерений привели к разработке особого метода изучения электростатических полей путем искусственного воспроизведения их структуры в проводящих средах, по которым пропускается постоянным ток. То есть прямое изучение электростатического поля заменяется изучением его токовой, более удобной модели. Оказывается, что при некоторых условиях распределение потенциалов в среде, по которой течет ток между установленными в ней электродами, может быть сделано тождественным с распределением потенциалов между теми же электроламп, когда между ними имеется электростатическое поле в вакууме или в однородном диэлектрике. Измерения распределения потенциалов в проводящей среде, по которой течет постоянный ток - сравнительно легкая экспериментальная задача.
Таким образом, можно заменить изучение электростатического поля между системой заряженных проводников изучением электростатического поля постоянного тока между той же системой проводников, если потенциалы проводников поддерживаются постоянными и соотношение проводимостей среды и проводника допускает предположение об эквипотенциальности последних.
Указанная замена изучения поля неподвижных зарядов изучением поля стационарного тока дает больше экспериментальных преимуществ: 1) вводя в проводящую среду в качестве зондов простые металлические электроды, автоматически получаем выравнивание потенциалов зонда и той точки поля, в которую введен зонд; 2) зонды в этом случае могут быть соединены с токоизмерительными приборами, а не с электростатической аппаратурой, которая всегда гораздо сложнее в работе, чем токовые приборы.
Необходимо, чтобы электрическая цепь зонда обладала большим сопротивлением по сравнению с сопротивлением проводящих слоев вещества между точкой, в которую помещен зонд и ближайшим электродом. В противном случае включение зонда исказит распределение потенциалов в исследуемом поле.
