靜電屏蔽實驗初探

丁志紅

(江蘇省南京市第27中學(xué),江蘇　南京　210022)

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靜電屏蔽實驗初探

丁志紅

(江蘇省南京市第27中學(xué),江蘇南京210022)

本文從相關(guān)電磁學(xué)基礎(chǔ)知識入手,對歷史上著名的法拉第籠實驗進行探究,簡介了靜電屏蔽的基本原理,探討了相關(guān)問題.

法拉第籠實驗；靜電屏蔽;靜電平衡

筆者曾走進南京師范大學(xué)趣味物理實驗室,做了法拉第籠實驗(如圖1),實驗中籠外電光閃閃，噼啪聲不斷，籠內(nèi)人淡定而坐,不為所動，實驗效果令人震撼.筆者驚嘆之余，對實驗進行了探究.

圖1

1　基本原理

1.1靜電感應(yīng)

如果將導(dǎo)體放在電場強度為E的電場中,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.

1.2靜電平衡

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,電場強度為E內(nèi).根據(jù)場強疊加原理,導(dǎo)體內(nèi)的電場強度等于E外和E內(nèi)的疊加,等大反向的電場疊加而互相抵消,使得導(dǎo)體內(nèi)部總電場強度為零.當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)部總電場強度為零時,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，靜電平衡條件為:

(1) 導(dǎo)體內(nèi)部場強處處為零.

(2) 導(dǎo)體表面附近處的場強垂直于導(dǎo)體表面，即導(dǎo)體是等勢體,導(dǎo)體表面是等勢面.

1.3靜電屏蔽

(1) 屏蔽概念:在物理學(xué)中,為防止外界的場(包括電場、磁場,電磁場)進入某個需要保護的區(qū)域,稱為屏蔽，屏蔽分為靜電屏蔽、靜磁屏蔽、電磁屏蔽.

(2) 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)體把外電場罩住,使其內(nèi)部不受影響,如空腔導(dǎo)體接地，則電器設(shè)備對外界也不產(chǎn)生影響,這就叫做靜電屏蔽.空腔導(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.

2　靜電屏蔽原理

導(dǎo)體的空腔內(nèi)沒有電荷時,電荷一定分布在導(dǎo)體的外表面，據(jù)此可得到以下結(jié)論：

(1) 空腔導(dǎo)體可以屏蔽外電場,使空腔內(nèi)物體不受外電場影響.這時,整個空腔導(dǎo)體和腔內(nèi)的電勢也必處處相等(如圖2).

圖2

圖3

(2) 接地的空腔導(dǎo)體可以屏蔽腔外電場.如圖3所示,將導(dǎo)體殼接地,此時導(dǎo)體殼具有屏蔽作用,使外界不受空腔內(nèi)生物的影響.

3　實驗問題探討

3.1金屬籠的作用

金屬籠上網(wǎng)的空隙要小,整個籠子可以看作空腔導(dǎo)體.其作用是在外電場中,能達到靜電平衡,確保內(nèi)部的場強為零，起到屏蔽作用.

當(dāng)與高壓電源相連的絕緣導(dǎo)電桿接近金屬籠時，桿上金屬球與籠間的電壓很高，可擊穿空氣，產(chǎn)生電火花.而籠中人即使用手觸碰金屬網(wǎng)，也不會觸電，說明金屬籠對內(nèi)起到了靜電屏蔽的作用.

3.2金屬籠內(nèi)外懸掛的驗電羽

金屬籠內(nèi)外均懸掛了驗電羽，當(dāng)帶電金屬球靠近籠外驗電羽時，驗電羽會飄起，表明籠外存在電場；而籠內(nèi)驗電羽則“無動于衷”，表明籠內(nèi)不存在電場，金屬籠對內(nèi)起到了靜電屏蔽的作用.

3.3金屬籠需不需接地

當(dāng)帶電絕緣導(dǎo)電桿上金屬球接近金屬籠時,內(nèi)部場強為零，對籠中人沒有任何影響.若與地絕緣的金屬籠不接地,金屬籠對地存在電勢差，籠外人不得觸碰金屬籠,否則會有觸電危險；如金屬籠接地,籠外人與金屬籠間無電勢差，籠外人即使觸碰金屬籠也不會有觸電危險.

[1] 蔡懷新等.基礎(chǔ)物理學(xué).下冊[M].北京：高等教育出版社，2003.

[2] 張曉曄等.靜電屏蔽物理原理[J].哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報，2003,19(6).

[3] 黃禮鎮(zhèn).電磁場原理[M].北京:人民教育出版社,1980.

·試題研究·