高中物理 第1章 静电场 第4节 电场中的导体 法拉第笼与静电屏蔽素材 鲁科版选修3-1（通用） 6页

法拉第笼与静电屏蔽 ‎ ‎　　法拉第笼（Faraday Cage）是一个由金属或者良导体形成的笼子。是以电磁学的奠基人、英国物理学家迈克尔·法拉第的姓氏命名的一种用于演示等电势、静电屏蔽和高压带电作业原理的设备。它是由笼体、高压电源、电压显示器和控制部分组成。其笼体与大地连通，高压电源通过限流电阻将10万伏直流高压输送给放电杆，当放电杆尖端距笼体10厘米时，出现放电火花，根据接地导体静电平衡的条件，笼体是一个等位体，内部电势为零，电场为零，电荷分布在接近放电杆的外表面上。光速‎300000000m/s。‎ 作用原理 ‎　　表演时先请几位观众进入笼体后关闭笼门，操作员接通电源，用放电杆进行放电演示。这时即使笼内人员将手贴在笼壁上，使放电杆向手指放电，笼内人员不仅不会触电，而且还可以体验电子风的清凉感觉。这是因为人体触电的原因是身体的不同部位存在电位差，强电流通过身体，此时手指虽然接近放电火花，但放电电流是通过手指前方的金属网传入大地，身体并不存在电位差，没有电流通过，所以没有触电的感觉。‎ ‎　　高压带电作业操作员的防护服就是用金属丝制成，接触高压线时形成等电位，人体不通过电流，起到保护作用。外壳接地的法拉第笼可以有效地隔绝笼体内外的电场和电磁波干扰，这叫做“静电屏蔽”。许多仪器设备采用接地的金属外壳可有效地避免壳体内外电场的干扰。由于法拉第笼的电磁屏蔽原理，所以在汽车中的人是不会被雷击中的[1]，而且在同轴电缆也可以不受干扰的传播讯号，同样。也是因为法拉第笼的原理。如果电梯内没有中继器的话。那么当电梯关上的时候，里面任何电子讯号也收不到。‎ 静电屏蔽 ‎　　导体的外壳对它的内部起到“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。‎ ‎　　在工程技术中，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。某些用途的电源变压器中，常在初级绕组与次级绕组之间放置一不闭合的金属薄片作为屏蔽装置。‎ 静电屏蔽 静电屏蔽原理 导体的外壳对它的内部起到“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。‎ 原理如果将导体放在电场强度为E外的外电场中，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。由于导体内电荷的重新分布，这些电荷在与外电场相反的方向形成另一电场，电场强度为E内。根据场强叠加原理，导体内的电场强度等于E外和E内的叠加。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。‎ 历史小故事　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，他并未受到任何影响，应用　为防止外界的场 (包括电场、磁场 ,电磁场 ‎ )进入某个需要保护的区域 ,称为屏蔽 .屏蔽分为静电屏蔽、静磁屏蔽、电磁屏蔽是电磁学的三种不同分支.这三种屏蔽的根本目的则是依据不同的物理原理 ,利用屏蔽壳上由外场产生的感应效应来抵御外场的影响 ,从而为“保护区”设立了屏障 ,抑制了外界的干扰。‎ ‎　　静电屏蔽[1]:为了避免外界电场对仪器设备的影响，或 静电屏蔽的应用者为了避免电器设备的电场对外界的影响，用一个空腔导体把外电场遮住，使其内部不受影响，也不使电器设备对外界产生影响，这就叫做静电屏蔽。空腔导体不接地的屏蔽为外屏蔽，空腔导体接地的屏蔽为内屏蔽。‎ ‎　　空腔导体在外电场中处于静电平衡，其内部的场强总等于零。因此外电场不可能对其内部空间发生任何影响。若空腔导体内有带电体，在静电平衡时，它的内表面将产生等量异号的感生电荷。如果外壳不接地则外表面会产生与内部带电体等量而同号的感应电荷，此时感应电荷的电场将对外界产生影响，这时空腔导体只能对外电场屏蔽，却不能屏蔽内部带电体对外界的影响，所以叫外屏蔽。如果外壳接地，即使内部有带电体存在，这时内表面感应的电荷与带电体所带的电荷的代数和为零，而外表面产生的感应电荷通过接地线流入大地，内部带电体对外界的影响消除，所以这种屏蔽叫做内屏蔽。为了防止外界信号的干扰，静电屏蔽被广泛地应用科学技术工作中。例如电子仪器设备外面的金属罩，通讯电缆外面包的铅皮等等，都是用来防止外界电场干扰的屏蔽措施。‎ ‎　　在静电平衡状态下，不论是空心导体还是实心导体；不论导体本身带电多少，或者导体是否处于外电场中，必定为等势体，其内部场强为零，这是静电屏蔽的理论基础。‎ 相关讨论 ‎　　因为封闭导体壳内的电场具有典型意义和实际意义，我们以封闭导体壳内的电场为例对静电屏蔽作一些讨论。‎ 封闭导体壳内部电场不受壳外电荷或电场影响 ‎　　如壳内无带电体而壳外有电荷q，则静电感应使壳外壁带电（如图1）。静电平衡时壳内无电场。这不是说壳外电荷不在壳内产生电场，根本是q与外壁带电电场抵消。由于壳外壁感应出异号电荷，它们与q在壳内空间任一点激发的合场强为零。因而导体壳内部不会受到壳外电荷q或其他电场的影响。壳外壁的感应电荷起了自动调节作用。‎ ‎　　如果把上述空腔导体外壳接地（图2），则外壳上感应正电荷将沿接地线流入地下。静电平衡后空腔导体与大地等势，空腔内场强仍然为零。‎ ‎　　如果空腔内有电荷，则空腔导体仍与地等势，导体内无电场。这时因空腔内壁有异号感应电荷，因此空腔内有电场（图3）。此电场由壳内电荷产生，壳外电荷对壳内电场仍无影响。‎ ‎　　由以上讨论可知，封闭导体壳不论接地与否，内部电场不受壳外电荷影响。‎ 接地封闭导体壳外部电场不受壳内电荷的影响 ‎　　如果壳内空腔有电荷q，因为静电感应，壳内壁带有等量异号电荷，壳外壁带有等量同号电荷，壳外空间有电场存在（图4），此电场可以说是由壳内电荷q间接产生。也可以说是由壳外感应电荷直接产生的。‎ ‎　　但如果将外壳接地，则壳外电荷将消失，壳内电荷q与内壁感应电荷在壳外产生电场为零（图5）。可见如果要使壳内电荷对壳外电场无影响，必须将外壳接地。这与第一种情况不同。‎ ‎　　这里还须注意：①我们说接地将消除壳外电荷，但并不是说在任何情况壳外壁都一定不带电。假如壳外有带电体，则壳外壁仍可能带电，而不论壳内是否有电荷（图6）。‎ ‎　　②实际应用中金属外壳不必严格完全封闭，用金属网罩代替金属壳体也可达到类似的静电屏蔽效果，虽然这种屏蔽并不是完全、彻底的。‎ ‎　　③在静电平衡时，接地线中是无电荷流动的，但是如果被屏蔽的壳内的电荷随时间变化，或者是壳外附近带电体的电荷随时间而变化，就会使接地线中有电流。屏蔽罩也可能出现剩余电荷，这时屏蔽作用又将是不完全和不彻底的。‎ ‎　　总之，封闭导体壳不论接地与否，内部电场不受壳外电荷与电场影响；接地封闭导体壳外电场不受壳内电荷的影响。这种现象，叫静电屏蔽。‎ 实际意义 ‎　　静电屏蔽有两方面的意义，其一是实际意义：屏蔽使金属导体壳内的仪器或工作环境不受外部电场影响，也不对外部电场产生影响。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，如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。又如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。在高压带电作业中，工人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。在静电实验中，因地球附近存在着大约100V/m的竖直电场。要排除这个电场对电子的作用，研究电子只在重力作用下的运动，则必须有eE