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）

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1、法拉第籠與靜電屏蔽 　　法拉第籠（Faraday Cage）是一個(gè)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(shí)，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(gè)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(shí)先請(qǐng)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。

2、這時(shí)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(huì)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(shí)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(shí)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(huì)被雷擊中

3、的[1]，而且在同軸電纜也可以不受干擾的傳播訊號(hào)，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(shí)候，里面任何電子訊號(hào)也收不到。 靜電屏蔽 　　導(dǎo)體的外殼對(duì)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(jí)繞組與次級(jí)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

4、導(dǎo)體的外殼對(duì)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(huì)逆電場方向運(yùn)動(dòng)。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(shí)，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子不再移動(dòng)。物理學(xué)中將導(dǎo)體中沒有電荷移動(dòng)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

5、的外表面上。如果這個(gè)導(dǎo)體是中空的，當(dāng)它達(dá)到靜電平衡時(shí)，內(nèi)部也將沒有電場。這樣，導(dǎo)體的外殼就會(huì)對(duì)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(xiǎn)，做了一個(gè)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(shí)，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(gè)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

6、屏障 ,抑制了外界的干擾。 　　靜電屏蔽[1]:為了避免外界電場對(duì)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(duì)外界的影響，用一個(gè)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(duì)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。 　　空腔導(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(duì)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(shí)，它的內(nèi)表面將產(chǎn)生等量異號(hào)的感生電荷。如果外殼不接地則外表面會(huì)產(chǎn)生與內(nèi)部帶電體等量而同號(hào)的感應(yīng)電荷，此時(shí)感應(yīng)電荷的電場將對(duì)外界產(chǎn)生影響，這時(shí)空腔導(dǎo)體只能對(duì)外電場屏蔽，卻不

7、能屏蔽內(nèi)部帶電體對(duì)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(shí)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(duì)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(hào)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，

8、我們以封閉導(dǎo)體殼內(nèi)的電場為例對(duì)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(shí)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(hào)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(huì)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(dòng)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(shí)

9、因空腔內(nèi)壁有異號(hào)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(duì)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(hào)電荷，殼外壁帶有等量同號(hào)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(duì)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

10、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）。 　?、趯?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。 　?、墼陟o電平衡時(shí)，接地線中是無電荷流動(dòng)的，但是如果被屏蔽的殼內(nèi)的電荷隨時(shí)間變化，或者是殼外附近帶電體的電荷隨時(shí)間而變化，就會(huì)使接地線中有電流。屏蔽罩也可能出現(xiàn)剩余電荷，這時(shí)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

11、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(duì)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(jí)繞組和次級(jí)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(duì)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(gè)電場對(duì)電子的作用，研究電子只在重力作用下的運(yùn)動(dòng)，則必須有eE

12、g，可算出E<10-10V/m，這是一個(gè)幾乎沒有靜電場的“靜電真空”，這只有對(duì)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(gè)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(duì)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(jí)繞組與次級(jí)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。