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静电感应与静电屏蔽概念解读

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静电屏蔽概念

在探究静电屏蔽前,我们先来说一下静电感应现象。

如果将导体放在电场强度为E的外电场中,导体内的自由电子在电场力的作用下,会逆电场方向运动。这样,导体的负电荷分布在一边,正电荷分布在另一边,这就是静电感应现象。静电感应是静电屏蔽的基础。

由于导体内电荷的重新分布,这些运动后的电荷(如下图导体W自身的电荷)会在与外电场相反的方向形成另一电场。

通过受力分析可知,当产生的电场强度E’小于E时,导体W中的电荷受力并不平衡,电荷还会继续运动,直至受力平衡,即E’=E的情况下。

静电屏蔽原理图

图示金属导体W内部中空地带C处的电场强度为零

根据场强叠加原理,导体内的电场强度等于自身的电荷产生的E’和外部电场E的叠加,等大反向的电场叠加而互相抵消,使得导体内部总电场强度为零。

当导体内部总电场强度为零时,导体内的自由电子不再移动。物理学中将导体中没有电荷移动的状态叫做静电平衡。

处于静电平衡状态的导体,内部电场强度处处为零。由此可推知,处于静电平衡状态的导体,电荷只分布在导体的外表面上。如果这个导体是中空的,当它达到静电平衡时,内部也将没有电场。

这样,导体的外壳就会对它的内部起到“保护”作用,使它的内部不受外部电场的影响,这种现象称为静电屏蔽。

静电屏蔽应用

很多细心的同学可能发现了很多轿车都有外置天线,这就是因为汽车自身就是一个箱式导体,起到了静电屏蔽的作用,车内的信号不好。我们用外置天线来加强信号的接受能力。

在军事或工业上,有些电子器件或测量设备为了免除干扰,都要实行静电屏蔽,例如军用电子仪器设备外面的金属罩,用来防止外界电场干扰的屏蔽措施。

军事通讯电缆外面包的铅皮,或在外面包一层金属丝,就为了静电屏蔽的效果,使信号不受干扰等等,又如军事设施中的室内高压设备罩上接地的金属罩或较密的金属网罩,电子管用金属管壳。

在军事上广泛应用的,作全波整流或桥式整流的电源变压器,在初级绕组和次级绕组之间包上金属薄片或绕上一层漆包线并使之接地,达到屏蔽作用。

在对军事设备进行高压带电作业中,操作、维修人员穿上用金属丝或导电纤维织成的均压服,可以对人体起屏蔽保护作用。

又如在军事工程或设施上安装的屏蔽装置:如果需要屏蔽的区域较大,还可采用金属屏蔽网,也有良好的屏蔽效果。在军用电子仪器中,为了免受静电干扰,常利用接地的仪器金属外壳作屏蔽装置。电测量仪器中的某些联接线的导线绝缘外面包有一层金属丝网做为屏蔽。高压带电作业(500千伏带电作业用的屏蔽服)

有线电视信号线,外面就有一层金属丝,就为了静电屏蔽,使传输的信号不受外界电磁场的干扰。

很多高精密的电子仪器、实验设备,比如示波器的接线都是这样的屏蔽线、屏蔽箱体,以免被外界干扰影响数据的真实与准确性。 

法拉第的静电屏蔽实验

法拉第曾经冒着被电击的危险,做了一个闻名于世的实验——法拉第笼实验。

法拉第把自己关在金属笼内,当笼外发生强大的静电放电时,自己在金属笼内非常安全,什么事都没发生。

(文/王尚;原文地址

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