اندازه گیری اختلاف پتاسیل در هوا:
این اندازه گیری معادل اندازه گیری اختلاف پتاسیل بین یک رسانای منفرد و زمین است. برای اندازه گیری اختلاف پتاسیل الکتریکی بین تک رسانا و زمین کافی است، توسط سیمی میله الکترومتر را به جسم و محفظه آن را به زمین وصل کنیم.
در این صورت برگه های الکترومتر دارای همان پتاسیل جسم رسانا می شود. زیرا الکترونهای آزاد در فلز حرکت می کنند، تا آنکه اختلاف پتاسیل بین میله الکترومتر و رسانا از بین برود. از این رو الکترومتر که اختلاف پتاسیل بین میله و محفظه را معین می کند، همزمان اختلاف پتاسیل بین رسانای مورد بررسی و زمین را نشان می دهد.
اندازه گیری اختلاف پتاسیل بین نقطه ای در هوا و زمین:
برای اندازه گیری اختلاف پتاسیل بین یک نقطه در هوا و زمین وضع پیچیده تر می شود. با آوردن سیمی از میله الکترومتر تا این نقطه ، تضمینی جهت تساوی پتاسیل نقطه مزبور و این ناحیه در هوا وجود ندارد. زیرا در شرایط عادی هوا دارای الکترونهای آزاد نیست، که بر اثر میدان الکتریکی به حرکت در آیند.
تا اینکه اختلاف پتاسیل بین این ناحیه از فضا و سیمی که به الکترومتر وصل است صفر شود. جهت اطمینان از تساوی چنین پتاسیل هایی باید برای این ناحیه الکترونهای آزاد فراهم کرد، یعنی آنجا را به رسانا تبدیل کرد. این کار را می توان با روش های مختلف انجام داد، مثلا به کمک شعله.
کاوه الکتریکی شعله ای:
در شعله همواره شمار زیادی یونهای مثبت و منفی وجود دارد که به هوای مجاور شعله خواص رسانایی می بخشد. اگر شعله ضعیف باشد فقط به ناحیه کوچکی از هوا که در حوزه شعله است، یون می رسد.
با گرفتن انتهای سیمی که از میله الکترومتر می رسد، در شعله ضعیف می توانیم پتاسیل میله الکترومتر و ناحیه اطراف شعله را یکی کنیم. بنابر این می توانیم اختلاف پتاسیل بین این ناحیه از هوا و زمین را اندازه گیری کنیم.
با قراردادن شعله در نقاط مختلف از هوا ، می توانیم آرایش سطوح هم پتاسیل را در هوا بررسی نماییم. و به طور کلی درباره توزیع پتاسیل حاصل از میدان الکتریکی در هوا تحقیق کنیم. به این دلیل چنین اسبابی را آشکار ساز الکتریکی یا کاوه الکتریکی شعله ای نامیده اند. از این وسیله برای تحقیق درباره میدان الکتریکی درهوای بالای سطح زمین بطور گسترده استفاده می کنند.
آزمایش نشان می‌دهد که هرگاه الکترومتری رابه کاوه الکتریکی وصل کنیم، در برگه‌ها انحراف قابل ملاحظه‌ای مشاهده می‌شود. حتی اگر اجسام باردار در نزدیکی نباشد، هر چه نقطه بالاتر از سطح زمین باشد، انحراف برگه‌ها بیشتر است. این گفته به این معناست که بین نقاطی از جو که دارای ارتفاع متفاوتی هستند، اختلاف پتاسیل الکتریکی موجود است. یعنی پیرامون سطح زمین میدان الکتریکی وجود دارد. تغییر پتاسیل با ارتفاع در فصول مختلف سال و نیز در نواحی مختلف زمین از نظر طول جغرافیایی و عرض جغرافیایی متفاوت است.
در نزدیکی سطح زمین مقدار میدان الکتریکی زمین حدود V/m 130 است. با بالا رفتن از سطح زمین این میدان به سرعت ضعیف می‌شود و در ارتفاع 1Km شدت آن فقط 40 V/m است. در حالیکه در ارتفاع 10 Km آنقدر ضعیف است، که از آن می‌توان چشم پوشید. علامت این تغییر (میزان کاهش میدان با ارتفاع) پیشنهاد می‌کند که زمین دارای بار الکتریکی منفی است، بنابراین ما همواره در میدان الکتریکی قابل ملاحظه‌ای زندگی و کار می‌کنیم.
پژوهشهای تجربی و محاسبات در خور نشان می‌دهند، که زمین در کل دارای بار الکتریکی منفی است، که مقدار میانگین آن 0.5 میلیون کولن برآورده شده است. این بار به سبب بعضی فرآیندها در جو زمین و فراسوی آن در فضا عملا بدون تغییر می‌ماند و تا کنون بطور کامل مطالعه نشده است. در چنین شرایطی این سؤالات مطرح می‌شود که:
می‌توان به آسانی دریافت که این بارهای مثبت نمی‌توانند خیلی دور از زمین مثلا روی ماه ، ستارگان یا سیارات باشند. در غیر این صورت شکل میدان در نزدیکی سطح زمین باید مانند میدان الکتریکی کره منفردی باشد، که به فرم شعاعی بوده ، یعنی خطوط میدان از مرکز به بیرون خارج می‌شد و شدت این میدان متناسب با عکس مجذور فاصله از زمین (نه فاصله از سطح زمین) کاهش می‌یافت.
چون شعاع زمین حدود Km 6400 است. بنابراین تغییر فاصله‌ای در حدود چند کیلومتر یا دهها کیلومتر از مرکز زمین فقط می‌توانست به مقدار قابل اغماض شدت میدان الکتریکی را تغییر دهد. اما چنانکه اشاره کردیم آزمایش نشان می‌دهد، که با فاصله گرفتن از زمین شدت میدان الکتریکی آن بطور سریع کاهش می‌یابد.
این امر به این دلیل صورت می گیرد که بار مثبت مربوط به بار منفی زمین در ارتفاع خیلی بالایی از سطح آن قرار ندارد. در واقع ، لایه‌ای از مولکولهای باردار (یونیزه) از نوع مثبت در چند ده کیلومتری بالای سطح زمین مشاهده شده است. توده بار مثبت این "ابر" بار منفی زمین را خنثی می‌کند. خطوط میدان الکتریکی زمین از این لایه تا سطح زمین کشیده می‌شوند.