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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(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(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)的感生電荷，此時(shí)感應(yīng)電荷的電場將對外界產(chǎn)生影響，這時(shí)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(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。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(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)。
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，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(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
發(fā)電場。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，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)因空腔內(nèi)壁有異號(hào)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?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，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(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。
③在靜電平衡時(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，叫靜電屏蔽。
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＜meg，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。
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。近期的實(shí)驗(yàn)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(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。
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(gè)實(shí)心導(dǎo)體挖空，變成一個(gè)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(gè)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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