走進(jìn)靜電屏蔽許人文

曹曠

有很多精密儀器在工作過(guò)程中不能受到外界電場(chǎng)的影響，所以為了避免外界電場(chǎng)對(duì)儀器設(shè)備的影響，或者為了避免電器設(shè)備的電場(chǎng)對(duì)外界的影響，用一個(gè)空腔導(dǎo)體把外電場(chǎng)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。

靜電屏蔽的原理：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(chǎng)中，必定為等勢(shì)體，其內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為零，這是靜電屏蔽的理論基礎(chǔ)。我通過(guò)研究性學(xué)習(xí)更多地了解了靜電屏蔽現(xiàn)象。

一、靜電屏蔽分為外屏蔽和完全屏蔽兩種類(lèi)型

1.外屏蔽?？涨粚?dǎo)體不接地的屏蔽為外屏蔽?？涨粚?dǎo)體在外電場(chǎng)中處于靜電平衡，其內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)總等于零。因此外電場(chǎng)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，如圖所示。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(chǎng)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(chǎng)屏蔽，卻不能屏蔽內(nèi)部帶電體對(duì)外界的影響，所以叫外屏蔽。

實(shí)際上外屏蔽的過(guò)程是這樣的：當(dāng)電場(chǎng)在屏蔽殼外時(shí)，屏蔽殼上的電子會(huì)在電場(chǎng)作用下移動(dòng)而重新分布，直到其內(nèi)部電場(chǎng)為零。不接地的導(dǎo)體殼電勢(shì)不為零，電子的分布只與屏蔽殼外表面形狀有關(guān)，相當(dāng)于屏蔽殼外表面帶電。此時(shí)屏蔽殼是一般等勢(shì)體，所以它能屏蔽殼外的電場(chǎng)。

2.全屏蔽。空腔導(dǎo)體接地的屏蔽為全屏蔽。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(guò)接地線流入大地，或者大地上的電子過(guò)來(lái)與感應(yīng)出的正電荷相互平衡，是的外殼不帶電，如圖所示。此時(shí)外界對(duì)殼內(nèi)無(wú)法影響，內(nèi)部帶電體對(duì)外界的影響也隨之而消除，所以這種屏蔽叫做全屏蔽。

實(shí)際上全屏蔽的過(guò)程是這樣的：當(dāng)電場(chǎng)在屏蔽殼內(nèi)時(shí)，屏蔽殼內(nèi)表面上會(huì)感應(yīng)出電子，會(huì)在電場(chǎng)作用下移動(dòng)而重新分布.此時(shí)屏蔽殼外表面上會(huì)感應(yīng)出電子，當(dāng)屏蔽殼接地時(shí)，電子進(jìn)入大地屏蔽殼外表面不帶電。

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(lái)防止外界電場(chǎng)干擾的屏蔽措施。

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(chǎng)。要排除這個(gè)電場(chǎng)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

注意：①我們說(shuō)接地將消除殼外電荷，但并不是說(shuō)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；②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(lèi)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(shí)，接地線中是無(wú)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。

靜電屏蔽在實(shí)際中可帶來(lái)不利的影響，比如，航天飛機(jī)、飛船返回地球大氣層時(shí)，由于飛船與大氣層的高速摩擦而產(chǎn)生高溫，在飛船的周?chē)纬梢粚拥入x子體，它對(duì)飛船產(chǎn)生靜電屏蔽作用，導(dǎo)致地面控制中心與飛船的通訊聯(lián)系暫時(shí)中斷。對(duì)宇航員來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)較大的時(shí)間段。再比如，通信工具在鋼筋結(jié)構(gòu)房屋中接收信號(hào)弱，給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)很大的不便。

下面演示我在研究性學(xué)習(xí)課上做的兩個(gè)用以說(shuō)明靜電屏蔽現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)。

二、實(shí)驗(yàn)一

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖怯^察金屬籠（鳥(niǎo)籠）的靜電屏蔽現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)儀器有高壓電源，鳥(niǎo)籠，導(dǎo)線，接地線。實(shí)驗(yàn)原理是根據(jù)靜電平衡理論，空腔導(dǎo)體本身帶靜電與其處于腔外電場(chǎng)作用下，發(fā)生靜電感應(yīng)并達(dá)到靜電平衡一樣，空腔導(dǎo)體的內(nèi)部空間不受導(dǎo)體外電場(chǎng)的影響，整個(gè)空腔導(dǎo)體是等勢(shì)體，表面是等勢(shì)面，且空腔導(dǎo)體的內(nèi)部空間無(wú)所帶凈電荷，所帶凈電荷只能分布在導(dǎo)體表面。若導(dǎo)體空腔中原本無(wú)電荷，則導(dǎo)體內(nèi)部空間的電場(chǎng)始終為零，凈電荷也只能分布在導(dǎo)體外表面，而靜電平衡時(shí)導(dǎo)體內(nèi)部空間的場(chǎng)強(qiáng)為零這一規(guī)律在技術(shù)上應(yīng)用的效果就是靜電屏蔽。本實(shí)驗(yàn)以鳥(niǎo)籠作為空腔導(dǎo)體，用高壓電源使鳥(niǎo)籠帶電，因此凈電荷僅存在于籠體外表面，籠內(nèi)無(wú)電場(chǎng)，由此可直觀演示靜電屏蔽現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)步驟：

1.把高壓電源的輸出線連接到實(shí)驗(yàn)用的金屬鳥(niǎo)籠的導(dǎo)體座上，并讓電源的接地線接觸地面。

2.開(kāi)啟高壓電源開(kāi)關(guān)，使鳥(niǎo)籠帶電，調(diào)節(jié)電壓輸出到5KV左右，隨即可以看到鳥(niǎo)籠外表面各處的白色紙條張開(kāi)，而其內(nèi)部的紙條不張開(kāi)。說(shuō)明鳥(niǎo)籠上所帶靜電分布在鳥(niǎo)籠的外表面，鳥(niǎo)籠的內(nèi)表面不帶電，并且金屬絲籠的屏蔽作用使外電場(chǎng)對(duì)籠內(nèi)空間不產(chǎn)生影響，因而鳥(niǎo)籠內(nèi)電場(chǎng)為0。

3.演示完畢后，先關(guān)掉電源開(kāi)關(guān)，再用導(dǎo)線放電。

注意：①注意高壓電源的安全使用，不要用潮濕的手觸及電源；②必須保證高壓電源的接地線在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中總是接觸地面；③實(shí)驗(yàn)步驟3必須嚴(yán)格按說(shuō)明去做，千萬(wàn)不可未關(guān)閉靜電高壓電源就進(jìn)行對(duì)帶電體的放電。

三、實(shí)驗(yàn)二

將懸在細(xì)線上的帶正電的小球A放在不帶電的金屬空心球C內(nèi)（不和球壁接觸），另有一個(gè)懸掛在細(xì)線上的帶負(fù)電的小球B向C靠近，如圖所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察，可知A球位置不變，B球位置往右偏離豎直方向。

對(duì)此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可知考慮B對(duì)A的作用時(shí)，A處在球殼C內(nèi)，球殼會(huì)對(duì)其內(nèi)的A有屏蔽作用，使A不受B的作用。A球通過(guò)靜電感應(yīng)使C的內(nèi)、外殼分別帶負(fù)電和正電，從而知道B球受C外殼正電吸引，所以B球往右偏離豎直方向。

由此實(shí)驗(yàn)可得出結(jié)論，不接地金屬球殼能擋住外電場(chǎng)，使其內(nèi)部電荷不受外電場(chǎng)力，但它擋不住內(nèi)電場(chǎng)，即A的電場(chǎng)可以分布在球殼以?xún)?nèi)，使B受向右的吸引力。

靜電屏蔽的本質(zhì)是靜電感應(yīng)，所謂導(dǎo)體外面的電場(chǎng)不影響導(dǎo)體內(nèi)部，只不過(guò)是外電場(chǎng)與導(dǎo)體表面的感應(yīng)電荷在導(dǎo)體內(nèi)部任一點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的又疊加結(jié)果為零。接地導(dǎo)體的內(nèi)部電場(chǎng)不影響外部，是因?yàn)閷?dǎo)體外部的感應(yīng)電荷都被排斥入地，在只有施感電荷和內(nèi)壁的感應(yīng)異種電荷的情況下，兩部分電荷在導(dǎo)體外部任一點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的疊加為零而已。這樣，我們也就清楚，如果導(dǎo)體球殼不接地，球殼外面的電場(chǎng)實(shí)際上就是導(dǎo)體外部的那部分感應(yīng)電荷激發(fā)的電場(chǎng)，等效為導(dǎo)體內(nèi)部電荷激發(fā)的電場(chǎng)影響到了外面。因?yàn)槿绻麤](méi)有了內(nèi)部的施感電荷，外部也不可能出現(xiàn)感應(yīng)電荷，導(dǎo)體外面也就不可能有電場(chǎng)了。