导体的壳体对它的内部起到“保护”作用,使它的内部不受外部电场的影响,这些现象称为静电屏蔽。在交联高分子材料或蛋白质等大分子凝胶中,将材料装入高盐含量氨水中,材料蠕变度减少的现象称作为静电屏蔽效应。
静电屏蔽的工作原理
若果将导体置于电场硬度为E的外电场中,导体内的自由电子在电场力的作用下,会逆电场方向运动。这样,导体的负电荷分布在一边,正电荷分布在另一边,这就是静电感应现象。因为导体内电荷的重新分布,这种电荷在与外电场相反的方向产生另一电场,电场硬度为E内。按照场强叠加原理,导体内的电场硬度等于E外和E内的叠加,等到反向的电场叠加而相互抵消,致使导体内部总电场硬度为零。当导体内部总电场硬度为零时,导体内的自由电子不再定向联通。化学学上将导体中没有电荷联通的状态称作静电平衡。处于静电平衡状态的导体,内部电场硬度处处为零。由此可推知,处于静电平衡状态的导体,电荷只分布在导体的外表面上。假如这个导体是中空的,当它达到静电平衡时,内部也将没有电场。这样,导体的壳体都会对它的内部起到“保护”作用,使它的内部不受外部电场的影响,这些现象称为静电屏蔽。
静电屏蔽:为了防止外界电场对仪器设备的影响,或则为了防止家电设备的电场对外界的影响,用一个空腔导体把外电场挡住,使其内部不受影响,也不使家电设备对外界形成影响,这就称作静电屏蔽。空腔导体不接地的屏蔽为外屏蔽,空腔导体接地的屏蔽为内屏蔽。在静电平衡状态下,不论是空心导体还是实心导体;不论导体本身带电多少,或则导体是否处于外电场中,必将为等势体,其内部场强为零,这是静电屏蔽的理论基础。
静电屏蔽的用途
静电屏蔽有两方面的意义,其二是实际意义:屏蔽使金属导体壳内的仪器或工作环境不受外部电场影响,也不对外部电场形成影响。有些电子元件或检测设备为了免交干扰,都要推行静电屏蔽,如室外高压设备罩上接地的金属罩或较密的金属网罩,电子好使金属管壳。又如作全波检波或桥式检波的电源变压器,在中级定子和次级定子之间包上金属薄片或绕上一层漆包线并使之接地静电屏蔽,达到屏蔽作用。在高压带电作业中,工人穿上用金属丝或导电纤维织成的均压服,可以对人体起屏蔽保护作用。在静电实验中,因月球附近存在着大概100V/m的竖直电场。要排除这个电场对电子的作用,研究电子只在重力作用下的运动,则必须有eE《10-10V/m,这是一个几乎没有静电场的“静电真空”,这只有对抽成真空的空腔进行静电屏蔽就能实现。事实上,由一个封闭导体空腔实现的静电屏蔽是特别有效的。
静电屏蔽的两种类型
静电屏蔽虽然就只有两种,一种是空腔导体处在外电场中,内部电场硬度是为0的,另一种是空腔导体内有带电体的情况,此时空腔要接地才有屏蔽的疗效。
静电屏蔽接地与不接地
一切物质都由分子构成(这儿不是指物理上的分子),构成分子的粒子是带电的,因而在外电场条件下,粒子将会有相应的作用出现。
对于金属导体,一个精典数学学的模型是:将每位金属原子分为原子核和核外电子两部份,原子核是不可自由运动的,它们按一定排列堆积在一起静电屏蔽,组成所谓“晶格”;而电子可以自由运动,就像“气体”一般流动。在这些情况下,导体静电感应主要是电子在外电场下定向联通所致。
外电场作用下,电子定向联通后,宏观表现为导体表面出现感应电荷,同时内部也将遭到感应电荷电场的影响。因为电子联通的自由性,只有当感应电荷电场与外电场叠加使导体内部电场为零的情况下,电子才停止联通。这也是我们估算感应电荷分布的原理。
因为电场的叠加原理,我们可以分别考虑。在不接地的情况下:外电场,与外电场效应相抵消的感应电荷电场,在电荷守恒的情况下“多余”的电荷的电场(有点疑惑,就是第二种情况下估算一部份电荷,导体总的是不带电的,之后还会有另一部份电荷与第二部份抵消。)其中前三者效应总是互相抵消,前者与第二种等量异性,其分布总是使自身形成电场在导体内部硬度为零。
以均匀球壳为例,内部放置一点电荷,则可知内表面将会出现负电荷与其电场效应相抵消,按照电荷守恒,还有等量的正电荷怎么分布?这时可以不考虑前两个电场的效应(由于早已抵消了),学过化学大赛的同道都晓得,一定量的电荷均匀分布于球壳表面时对其内部任一点形成电场为零,则可知正电荷会均匀分布于球壳表面。
如今说接地的问题。可知前三者是一定存在的,不会受接地的影响。而接地的一大前提,就是可将月球视作一个巨大的导体球,其电势永远为零(这是有化学根据的,具体问题请参阅相关教材或中学大赛书)。则任一导体接地后,因为电势差的关系,其表面的第三种电荷总是会流入大地,以达到内部的平衡。所以,当接地时,会有电荷流入大地,致使本来不带电的导体总体上反倒带电了。(对于原本就带电的导体在外电场作用下的情况,可将所带电荷与第三种电荷合并估算。)
静电屏蔽的应用
为了避免外界讯号的干扰,静电屏蔽被广泛地应用科学技术工作中。诸如电子仪器设备外边的金属罩,通信线缆外边包的铅皮等等,都是拿来避免外界电场干扰的屏蔽举措。
①高压带电作业(500千伏带电作业用的屏蔽服)
②很多电子仪器,例如示波器的接线都是这样的屏蔽线
③汽车外的天线
④有线电视讯号线,外边就有一层金属丝,就为了静电屏蔽,使讯号不受干扰
⑤在服务区怕被人打手机,又不能死机,找个金属袋子装进去,就弄成了“您拨通的用户不在服务区”