靜電屏蔽物理原理分析與解讀

章策

摘 要：靜電屏蔽指的就是外面的電場無法進(jìn)入到屏蔽區(qū)域當(dāng)中，而里面的電場也無法出去。屏蔽包括靜電屏蔽和靜磁屏蔽以及電磁屏蔽三種類型，這三種屏蔽方式的物理原理是不同的，通過屏蔽殼的感應(yīng)效應(yīng)，避免受到外場的影響，設(shè)計屏障保護(hù)區(qū)，避免外界的干擾。本文主要論述了靜電屏蔽的物理原理，從而可以深入了解相關(guān)知識和現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：靜電屏蔽;物理原理;屏蔽區(qū)域;電場

1.概述靜電屏蔽的含義

1.1外邊的電場進(jìn)不來

導(dǎo)體腔可以屏蔽外電場，即使導(dǎo)體腔外具有很多的電荷，導(dǎo)體腔外表面以內(nèi)的電場強(qiáng)度都是零。但是這并不代表外部電荷在導(dǎo)體腔內(nèi)不會產(chǎn)生電場，例如在腔外放一帶電體，那么導(dǎo)體腔所在區(qū)域也會存在電場。導(dǎo)體腔區(qū)域場強(qiáng)之所以為零，是因為導(dǎo)體腔外部的表面產(chǎn)生了感應(yīng)電荷，這些感應(yīng)電荷在與外電場相反的方向形成另一電場，感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場與導(dǎo)體腔外帶電體產(chǎn)生的電場相互抵消，從而導(dǎo)致導(dǎo)體腔所在區(qū)域內(nèi)的場強(qiáng)矢量的和就是零。

這也就是為什么外面的電場無法進(jìn)入，這樣一來我們就可以利用封閉導(dǎo)體面保護(hù)某些區(qū)域，避免某些區(qū)域受到電場的干擾，在實際應(yīng)用過程中，利用金屬網(wǎng)可以發(fā)揮出屏蔽功能。

1.2里面的電場出不去

例如人們不希望某個帶電體的電場影響到外界，就可以利用導(dǎo)體封閉帶電體，再實現(xiàn)導(dǎo)體的接地措施，這樣就無法散發(fā)帶電體的電場。選擇的導(dǎo)體殼是非常重要的，如果殼內(nèi)存在電荷，那么殼內(nèi)表面由于靜電感應(yīng)會攜帶的等量異號的電荷，而外表面會攜帶等量同號的電荷，從而就會在外空間產(chǎn)生電場，但通過接地措施，可以向地下引入外表面的電荷，導(dǎo)致殼外場強(qiáng)為零，發(fā)揮出屏蔽的功能。

導(dǎo)體殼內(nèi)電荷也會產(chǎn)生一定的電場，因為有電荷就一定能產(chǎn)生電場，但因為導(dǎo)體殼當(dāng)中存在等量、異號的電荷，產(chǎn)生的電場在外空間相互抵消，從而場強(qiáng)矢量和為零。

在殼外產(chǎn)生的電場強(qiáng)度矢量之和是零，但是在殼外仍舊存在感應(yīng)電荷，感應(yīng)電荷會產(chǎn)生電場，因此需要將導(dǎo)體殼采取接地措施，這樣一來殼內(nèi)電荷才不會影響到殼外。

總結(jié)靜電屏蔽，殼外電荷不會影響到封閉導(dǎo)體殼內(nèi)部電場，內(nèi)電荷也不會影響到接地封閉導(dǎo)體殼外部的電場，這就是所謂的靜電屏蔽。

2.靜電屏蔽的物理原理概述

將導(dǎo)體A放入到某電場中，導(dǎo)體A的電子在電場`E0的作用下會進(jìn)行移動，導(dǎo)體兩端存在著正電荷和負(fù)電荷，會產(chǎn)生一個附件電場`E，并且和原電場`E0是反向，因此在導(dǎo)體A內(nèi)會產(chǎn)生總場強(qiáng)。利用公式表達(dá)為：`E=`E+`E0

本文主要討論了靜電學(xué)問題，存在`E，那么就代表存在力。針對導(dǎo)體內(nèi)部的總場強(qiáng)，如果`E為零，那么導(dǎo)體內(nèi)部電子就不會進(jìn)行移動，這個時候?qū)w靜電處于平衡狀態(tài)，如果總場強(qiáng)`E為零，那么就要做到`E=-`E0，此時導(dǎo)體就達(dá)到了靜電平衡狀態(tài)。在這個狀態(tài)下，導(dǎo)體如下：

導(dǎo)體內(nèi)部的場強(qiáng)為零，導(dǎo)體屬于等勢體，導(dǎo)體表面屬于等勢面。導(dǎo)體內(nèi)部的電荷沒有被徹底抵消，只是在導(dǎo)體的外表面分布電荷。在導(dǎo)體當(dāng)中，靜電場地位較為特殊，性質(zhì)也比較特殊，在均勻?qū)w內(nèi)部，電荷的存在無法得到維持。因為導(dǎo)體內(nèi)部的電荷衰減速度非?？?，因此導(dǎo)體內(nèi)部不具備任何電荷，即使存在電荷也會在極短時間內(nèi)消失，電荷會流動到導(dǎo)體表面外，因此如果導(dǎo)體是孤立的，那么就不會產(chǎn)生電場，整體導(dǎo)體電勢也是均等的，并且會逐漸發(fā)展成為一等勢體。

導(dǎo)體殼自身是沒有電場的，殼外電場線只能連接到殼外側(cè)，如果殼內(nèi)存在電場，殼內(nèi)電場線只能到達(dá)殼內(nèi)側(cè)，殼內(nèi)電場和外電場之間并沒有較大的關(guān)系，只是對于殼本身電勢起到一定的影響。如果實現(xiàn)導(dǎo)體殼的接地，那么導(dǎo)體殼就會對于殼內(nèi)電場起到屏蔽作用，這樣一來殼外電場就不會起到任何干擾作用，這就是本文討論的靜電屏蔽，導(dǎo)體殼對于保衛(wèi)區(qū)域起到屏蔽作用。

3.概述屏蔽的性質(zhì)

以中性球殼為例子，如果在殼中心存在正電荷q，當(dāng)球殼達(dá)到靜電平衡狀態(tài)，那么球殼表面一定會存在電荷-q。再加上球殼屬于中性，因為電荷守恒定律，如果球殼外表面存在電荷q，球殼具備對稱性，因此電荷會均勻分布在球殼內(nèi)部和外部。

球殼外表電荷產(chǎn)生的場強(qiáng)就是總場強(qiáng)，對于整個空間的場強(qiáng)起到直接的影響。如果球殼接地，那么在排斥力的影響下，會向大地傳輸電荷。腔內(nèi)電荷不會影響到接地球殼外部的電場分布情況，就將空間劃分為內(nèi)外兩個部分。兩個部分的電場不會相互影響，也不會產(chǎn)生干擾作用。需要明確的是接地腔體不僅可以實現(xiàn)電場屏蔽，同時也可以實現(xiàn)電位屏蔽，在內(nèi)外區(qū)域當(dāng)中電位是唯一的和獨立的，并且不會產(chǎn)生影響。帶電體會影響到外部空間的場強(qiáng)分布，要想將這種影響消除，可以實現(xiàn)空腔導(dǎo)體的接地，中和外表面的感應(yīng)電荷，也會隨之消失相應(yīng)的場強(qiáng)。

結(jié)束語：

通過以上綜合的論述，外部電荷不會影響到封閉的空腔導(dǎo)體的內(nèi)部電場。腔內(nèi)電荷也不會影響到接地的封閉空腔導(dǎo)體外部電場。靜電屏蔽實現(xiàn)了電場屏蔽和電位屏蔽，實質(zhì)上就是防止發(fā)生靜電感應(yīng)情況，將電容耦合消除。

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