高中物理 第1章 靜電場 第4節(jié) 電場中的導(dǎo)體 法拉第籠與靜電屏蔽素材 魯科版選修3-1（通用）

法拉第籠與靜電屏蔽 法拉第籠（Faraday Cage）是一個由金屬或者良導(dǎo)體形成的籠子。是以電磁學(xué)的奠基人、英國物理學(xué)家邁克爾·法拉第的姓氏命名的一種用于演示等電勢、靜電屏蔽和高壓帶電作業(yè)原理的設(shè)備。它是由籠體、高壓電源、電壓顯示器和控制部分組成。其籠體與大地連通，高壓電源通過限流電阻將10萬伏直流高壓輸送給放電桿，當(dāng)放電桿尖端距籠體10厘米時，出現(xiàn)放電火花，根據(jù)接地導(dǎo)體靜電平衡的條件，籠體是一個等位體，內(nèi)部電勢為零，電場為零，電荷分布在接近放電桿的外表面上。光速300000000m/s。作用原理表演時先請幾位觀眾進(jìn)入籠體后關(guān)閉籠門，操作員接通電源，用放電桿進(jìn)行放電演示。這時即使籠內(nèi)人員將手貼在籠壁上，使放電桿向手指放電，籠內(nèi)人員不僅不會觸電，而且還可以體驗(yàn)電子風(fēng)的清涼感覺。這是因?yàn)槿梭w觸電的原因是身體的不同部位存在電位差，強(qiáng)電流通過身體，此時手指雖然接近放電火花，但放電電流是通過手指前方的金屬網(wǎng)傳入大地，身體并不存在電位差，沒有電流通過，所以沒有觸電的感覺。高壓帶電作業(yè)操作員的防護(hù)服就是用金屬絲制成，接觸高壓線時形成等電位，人體不通過電流，起到保護(hù)作用。外殼接地的法拉第籠可以有效地隔絕籠體內(nèi)外的電場和電磁波干擾，這叫做“靜電屏蔽”。許多儀器設(shè)備采用接地的金屬外殼可有效地避免殼體內(nèi)外電場的干擾。由于法拉第籠的電磁屏蔽原理，所以在汽車中的人是不會被雷擊中的1，而且在同軸電纜也可以不受干擾的傳播訊號，同樣。也是因?yàn)榉ɡ诨\的原理。如果電梯內(nèi)沒有中繼器的話。那么當(dāng)電梯關(guān)上的時候，里面任何電子訊號也收不到。靜電屏蔽導(dǎo)體的外殼對它的內(nèi)部起到“保護(hù)”作用，使它的內(nèi)部不受外部電場的影響，這種現(xiàn)象稱為靜電屏蔽。在工程技術(shù)中，如果需要屏蔽的區(qū)域較大，還可采用金屬屏蔽網(wǎng),也有良好的屏蔽效果。在電子儀器中，為了免受靜電干擾，常利用接地的儀器金屬外殼作屏蔽裝置。電測量儀器中的某些聯(lián)接線的導(dǎo)線絕緣外面包有一層金屬絲網(wǎng)做為屏蔽。某些用途的電源變壓器中，常在初級繞組與次級繞組之間放置一不閉合的金屬薄片作為屏蔽裝置。靜電屏蔽靜電屏蔽原理導(dǎo)體的外殼對它的內(nèi)部起到“保護(hù)”作用，使它的內(nèi)部不受外部電場的影響，這種現(xiàn)象稱為靜電屏蔽。原理如果將導(dǎo)體放在電場強(qiáng)度為E外的外電場中，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子在電場力的作用下，會逆電場方向運(yùn)動。這樣，導(dǎo)體的負(fù)電荷分布在一邊，正電荷分布在另一邊，這就是靜電感應(yīng)現(xiàn)象。由于導(dǎo)體內(nèi)電荷的重新分布，這些電荷在與外電場相反的方向形成另一電場，電場強(qiáng)度為E內(nèi)。根據(jù)場強(qiáng)疊加原理，導(dǎo)體內(nèi)的電場強(qiáng)度等于E外和E內(nèi)的疊加。當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)部總電場強(qiáng)度為零時，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子不再移動。物理學(xué)中將導(dǎo)體中沒有電荷移動的狀態(tài)叫做靜電平衡。處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，內(nèi)部電場強(qiáng)度處處為零。由此可推知，處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，電荷只分布在導(dǎo)體的外表面上。如果這個導(dǎo)體是中空的，當(dāng)它達(dá)到靜電平衡時，內(nèi)部也將沒有電場。這樣，導(dǎo)體的外殼就會對它的內(nèi)部起到“保護(hù)”作用，使它的內(nèi)部不受外部電場的影響，這種現(xiàn)象稱為靜電屏蔽。歷史小故事法拉第曾經(jīng)冒著被電擊的危險，做了一個聞名于世的實(shí)驗(yàn)法拉第籠實(shí)驗(yàn)。法拉第把自己關(guān)在金屬籠內(nèi)，當(dāng)籠外發(fā)生強(qiáng)大的靜電放電時，他并未受到任何影響，應(yīng)用為防止外界的場 (包括電場、磁場 ,電磁場 )進(jìn)入某個需要保護(hù)的區(qū)域 ,稱為屏蔽 .屏蔽分為靜電屏蔽、靜磁屏蔽、電磁屏蔽是電磁學(xué)的三種不同分支.這三種屏蔽的根本目的則是依據(jù)不同的物理原理 ,利用屏蔽殼上由外場產(chǎn)生的感應(yīng)效應(yīng)來抵御外場的影響 ,從而為“保護(hù)區(qū)”設(shè)立了屏障 ,抑制了外界的干擾。靜電屏蔽1:為了避免外界電場對儀器設(shè)備的影響，或 靜電屏蔽的應(yīng)用者為了避免電器設(shè)備的電場對外界的影響，用一個空腔導(dǎo)體把外電場遮住，使其內(nèi)部不受影響，也不使電器設(shè)備對外界產(chǎn)生影響，這就叫做靜電屏蔽?？涨粚?dǎo)體不接地的屏蔽為外屏蔽，空腔導(dǎo)體接地的屏蔽為內(nèi)屏蔽?？涨粚?dǎo)體在外電場中處于靜電平衡，其內(nèi)部的場強(qiáng)總等于零。因此外電場不可能對其內(nèi)部空間發(fā)生任何影響。若空腔導(dǎo)體內(nèi)有帶電體，在靜電平衡時，它的內(nèi)表面將產(chǎn)生等量異號的感生電荷。如果外殼不接地則外表面會產(chǎn)生與內(nèi)部帶電體等量而同號的感應(yīng)電荷，此時感應(yīng)電荷的電場將對外界產(chǎn)生影響，這時空腔導(dǎo)體只能對外電場屏蔽，卻不能屏蔽內(nèi)部帶電體對外界的影響，所以叫外屏蔽。如果外殼接地，即使內(nèi)部有帶電體存在，這時內(nèi)表面感應(yīng)的電荷與帶電體所帶的電荷的代數(shù)和為零，而外表面產(chǎn)生的感應(yīng)電荷通過接地線流入大地，內(nèi)部帶電體對外界的影響消除，所以這種屏蔽叫做內(nèi)屏蔽。為了防止外界信號的干擾，靜電屏蔽被廣泛地應(yīng)用科學(xué)技術(shù)工作中。例如電子儀器設(shè)備外面的金屬罩，通訊電纜外面包的鉛皮等等，都是用來防止外界電場干擾的屏蔽措施。在靜電平衡狀態(tài)下，不論是空心導(dǎo)體還是實(shí)心導(dǎo)體；不論導(dǎo)體本身帶電多少，或者導(dǎo)體是否處于外電場中，必定為等勢體，其內(nèi)部場強(qiáng)為零，這是靜電屏蔽的理論基礎(chǔ)。相關(guān)討論因?yàn)榉忾]導(dǎo)體殼內(nèi)的電場具有典型意義和實(shí)際意義，我們以封閉導(dǎo)體殼內(nèi)的電場為例對靜電屏蔽作一些討論。封閉導(dǎo)體殼內(nèi)部電場不受殼外電荷或電場影響如殼內(nèi)無帶電體而殼外有電荷q，則靜電感應(yīng)使殼外壁帶電（如圖1）。靜電平衡時殼內(nèi)無電場。這不是說殼外電荷不在殼內(nèi)產(chǎn)生電場，根本是q與外壁帶電電場抵消。由于殼外壁感應(yīng)出異號電荷，它們與q在殼內(nèi)空間任一點(diǎn)激發(fā)的合場強(qiáng)為零。因而導(dǎo)體殼內(nèi)部不會受到殼外電荷q或其他電場的影響。殼外壁的感應(yīng)電荷起了自動調(diào)節(jié)作用。如果把上述空腔導(dǎo)體外殼接地（圖2），則外殼上感應(yīng)正電荷將沿接地線流入地下。靜電平衡后空腔導(dǎo)體與大地等勢，空腔內(nèi)場強(qiáng)仍然為零。如果空腔內(nèi)有電荷，則空腔導(dǎo)體仍與地等勢，導(dǎo)體內(nèi)無電場。這時因空腔內(nèi)壁有異號感應(yīng)電荷，因此空腔內(nèi)有電場（圖3）。此電場由殼內(nèi)電荷產(chǎn)生，殼外電荷對殼內(nèi)電場仍無影響。由以上討論可知，封閉導(dǎo)體殼不論接地與否，內(nèi)部電場不受殼外電荷影響。接地封閉導(dǎo)體殼外部電場不受殼內(nèi)電荷的影響如果殼內(nèi)空腔有電荷q，因?yàn)殪o電感應(yīng)，殼內(nèi)壁帶有等量異號電荷，殼外壁帶有等量同號電荷，殼外空間有電場存在（圖4），此電場可以說是由殼內(nèi)電荷q間接產(chǎn)生。也可以說是由殼外感應(yīng)電荷直接產(chǎn)生的。但如果將外殼接地，則殼外電荷將消失，殼內(nèi)電荷q與內(nèi)壁感應(yīng)電荷在殼外產(chǎn)生電場為零（圖5）?？梢娙绻箽?nèi)電荷對殼外電場無影響，必須將外殼接地。這與第一種情況不同。這里還須注意：我們說接地將消除殼外電荷，但并不是說在任何情況殼外壁都一定不帶電。假如殼外有帶電體，則殼外壁仍可能帶電，而不論殼內(nèi)是否有電荷（圖6）。實(shí)際應(yīng)用中金屬外殼不必嚴(yán)格完全封閉，用金屬網(wǎng)罩代替金屬殼體也可達(dá)到類似的靜電屏蔽效果，雖然這種屏蔽并不是完全、徹底的。在靜電平衡時，接地線中是無電荷流動的，但是如果被屏蔽的殼內(nèi)的電荷隨時間變化，或者是殼外附近帶電體的電荷隨時間而變化，就會使接地線中有電流。屏蔽罩也可能出現(xiàn)剩余電荷，這時屏蔽作用又將是不完全和不徹底的?？傊忾]導(dǎo)體殼不論接地與否，內(nèi)部電場不受殼外電荷與電場影響；接地封閉導(dǎo)體殼外電場不受殼內(nèi)電荷的影響。這種現(xiàn)象，叫靜電屏蔽。實(shí)際意義靜電屏蔽有兩方面的意義，其一是實(shí)際意義：屏蔽使金屬導(dǎo)體殼內(nèi)的儀器或工作環(huán)境不受外部電場影響，也不對外部電場產(chǎn)生影響。有些電子器件或測量設(shè)備為了免除干擾，都要實(shí)行靜電屏蔽，如室內(nèi)高壓設(shè)備罩上接地的金屬罩或較密的金屬網(wǎng)罩，電子管用金屬管殼。又如作全波整流或橋式整流的電源變壓器，在初級繞組和次級繞組之間包上金屬薄片或繞上一層漆包線并使之接地，達(dá)到屏蔽作用。在高壓帶電作業(yè)中，工人穿上用金屬絲或?qū)щ娎w維織成的均壓服，可以對人體起屏蔽保護(hù)作用。在靜電實(shí)驗(yàn)中，因地球附近存在著大約100V/m的豎直電場。要排除這個電場對電子的作用，研究電子只在重力作用下的運(yùn)動，則必須有eE<meg，可算出E<10-10V/m，這是一個幾乎沒有靜電場的“靜電真空”，這只有對抽成真空的空腔進(jìn)行靜電屏蔽才能實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，由一個封閉導(dǎo)體空腔實(shí)現(xiàn)的靜電屏蔽是非常有效的。理論意義其二是理論意義：間接驗(yàn)證庫侖定律。高斯定理可以從庫侖定律推導(dǎo)出來的，如果庫侖定律中的平方反比指數(shù)不等于2就得不出高斯定理。反之，如果證明了高斯定理，就證明庫侖定律的正確性。根據(jù)高斯定理，絕緣金屬球殼內(nèi)部的場強(qiáng)應(yīng)為零，這也是靜電屏蔽的結(jié)論。若用儀器對屏蔽殼內(nèi)帶電與否進(jìn)行檢測，根據(jù)測量結(jié)果進(jìn)行分析就可判定高斯定理的正確性，也就驗(yàn)證了庫侖定律的正確性。最近的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是威廉斯等人于1971年完成的，指出在式可見在現(xiàn)階段所能達(dá)到的實(shí)驗(yàn)精度內(nèi)，庫侖定律的平方反比關(guān)系是嚴(yán)格成立的。從實(shí)際應(yīng)用的觀點(diǎn)看，我們可以認(rèn)為它是正確的。屏蔽裝置在工程技術(shù)中，如果需要屏蔽的區(qū)域較大，還可采用金屬屏蔽網(wǎng),也有良好的屏蔽效果。在電子儀器中,為了免受靜電干擾，常利用接地的儀器金屬外殼作屏蔽裝置。電測量儀器中的某些聯(lián)接線的導(dǎo)線絕緣外面包有一層金屬絲網(wǎng)做為屏蔽。某些用途的電源變壓器中，常在初級繞組與次級繞組之間放置一不閉合的金屬薄片作為屏蔽裝置。屏蔽產(chǎn)品如屏蔽袋、導(dǎo)電袋、有蓋的周轉(zhuǎn)箱等，利用法拉第杯靜電屏蔽原理，保護(hù)內(nèi)裝物品。