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技術(shù)文章

靜電屏蔽
靜電屏蔽
靜電屏蔽:為了避免外界電場對儀器設(shè)備的影響，或者為了避免電器設(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)體接地的屏蔽為全屏蔽?？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生電荷，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。外界對殼內(nèi)無法影響，內(nèi)部帶電體對外界的影響也隨之而消除，所以這種屏蔽叫做全屏蔽。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)。
因為封閉導(dǎo)體殼內(nèi)的電場具有典型意義和實際意義，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。
（一）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。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
發(fā)電場。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，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。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。
（二）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，因為靜電感應(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，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）。可見如果要使殼內(nèi)電荷對殼外電場無影響，必須將外殼接地。這與弟、一種情況不同。
這里還須注意：①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）。
②實際應(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。
③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。
總之，封閉導(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。
靜電屏蔽有兩方面的意義，其一是實際意義：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。在靜電實驗中，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)行靜電屏蔽才能實現(xiàn)。事實上，由一個封閉導(dǎo)體空腔實現(xiàn)的靜電屏蔽是非常有效的。
其二是理論意義：間接驗證庫侖定律。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，也就驗證了庫侖定律的正確性。近期的實驗結(jié)果是威廉斯等人于1971年完成的，指出在式F=q1q2/r2±δ中，δ＜（2.7±3.1）×10-16，
可見在現(xiàn)階段所能達(dá)到的實驗精度內(nèi)，庫侖定律的平方反比關(guān)系是嚴(yán)格成立的。從實際應(yīng)用的觀點看，我們可以認(rèn)為它是正確的。
處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，內(nèi)部的場強(qiáng)處處為零。把一個實心導(dǎo)體挖空，變成一個導(dǎo)體殼，殼內(nèi)的場強(qiáng)仍處處為零。這樣，導(dǎo)體殼就可以保護(hù)它所包圍的區(qū)域，使這個區(qū)域不受外部電場的影響，這種現(xiàn)象叫做靜電屏蔽。

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