走進靜電屏蔽許人文

曹曠

有很多精密儀器在工作過程中不能受到外界電場的影響，所以為了避免外界電場對儀器設備的影響，或者為了避免電器設備的電場對外界的影響，用一個空腔導體把外電場遮住，使其內部不受影響，也不使電器設備對外界產生影響，這就叫做靜電屏蔽。

靜電屏蔽的原理：在靜電平衡狀態下，不論是空心導體還是實心導體；不論導體本身帶電多少，或者導體是否處于外電場中，必定為等勢體，其內部場強為零，這是靜電屏蔽的理論基礎。我通過研究性學習更多地了解了靜電屏蔽現象。

一、靜電屏蔽分為外屏蔽和完全屏蔽兩種類型

1.外屏蔽。空腔導體不接地的屏蔽為外屏蔽。空腔導體在外電場中處于靜電平衡，其內部的場強總等于零。因此外電場不可能對其內部空間發生任何影響。若空腔導體內有帶電體，在靜電平衡時，它的內表面將產生等量異號的感生電荷，如圖所示。如果外殼不接地則外表面會產生與內部帶電體等量而同號的感應電荷，此時感應電荷的電場將對外界產生影響，這時空腔導體只能對外電場屏蔽，卻不能屏蔽內部帶電體對外界的影響，所以叫外屏蔽。

實際上外屏蔽的過程是這樣的：當電場在屏蔽殼外時，屏蔽殼上的電子會在電場作用下移動而重新分布，直到其內部電場為零。不接地的導體殼電勢不為零，電子的分布只與屏蔽殼外表面形狀有關，相當于屏蔽殼外表面帶電。此時屏蔽殼是一般等勢體，所以它能屏蔽殼外的電場。

2.全屏蔽。空腔導體接地的屏蔽為全屏蔽。如果外殼接地，即使內部有帶電體存在，這時內表面感應的電荷與帶電體所帶的電荷的代數和為零，而外表面產生的感應電荷通過接地線流入大地，或者大地上的電子過來與感應出的正電荷相互平衡，是的外殼不帶電，如圖所示。此時外界對殼內無法影響，內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。

實際上全屏蔽的過程是這樣的：當電場在屏蔽殼內時，屏蔽殼內表面上會感應出電子，會在電場作用下移動而重新分布.此時屏蔽殼外表面上會感應出電子，當屏蔽殼接地時，電子進入大地屏蔽殼外表面不帶電。

為了防止外界信號的干擾，靜電屏蔽被廣泛地應用科學技術工作中。例如電子儀器設備外面的金屬罩，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。

在高壓帶電作業中，工人穿上用金屬絲或導電纖維織成的均壓服，可以對人體起屏蔽保護作用。在靜電實驗中，因地球附近存在著大約100V/m的豎直電場。要排除這個電場對電子的作用，研究電子只在重力作用下的運動，則必須有eE

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，而不論殼內是否有電荷；②實際應用中金屬外殼不必嚴格完全封閉，用金屬網罩代替金屬殼體也可達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，接地線中是無電荷流動的，但是如果被屏蔽的殼內的電荷隨時間變化，或者是殼外附近帶電體的電荷隨時間而變化，就會使接地線中有電流。屏蔽罩也可能出現剩余電荷，這時屏蔽作用又將是不完全和不徹底的。

靜電屏蔽在實際中可帶來不利的影響，比如，航天飛機、飛船返回地球大氣層時，由于飛船與大氣層的高速摩擦而產生高溫，在飛船的周圍形成一層等離子體，它對飛船產生靜電屏蔽作用，導致地面控制中心與飛船的通訊聯系暫時中斷。對宇航員來說，這是一個風險較大的時間段。再比如，通信工具在鋼筋結構房屋中接收信號弱，給人們的生產生活帶來很大的不便。

下面演示我在研究性學習課上做的兩個用以說明靜電屏蔽現象的實驗。

二、實驗一

實驗目的是觀察金屬籠（鳥籠）的靜電屏蔽現象。實驗儀器有高壓電源，鳥籠，導線，接地線。實驗原理是根據靜電平衡理論，空腔導體本身帶靜電與其處于腔外電場作用下，發生靜電感應并達到靜電平衡一樣，空腔導體的內部空間不受導體外電場的影響，整個空腔導體是等勢體，表面是等勢面，且空腔導體的內部空間無所帶凈電荷，所帶凈電荷只能分布在導體表面。若導體空腔中原本無電荷，則導體內部空間的電場始終為零，凈電荷也只能分布在導體外表面，而靜電平衡時導體內部空間的場強為零這一規律在技術上應用的效果就是靜電屏蔽。本實驗以鳥籠作為空腔導體，用高壓電源使鳥籠帶電，因此凈電荷僅存在于籠體外表面，籠內無電場，由此可直觀演示靜電屏蔽現象。

實驗步驟：

1.把高壓電源的輸出線連接到實驗用的金屬鳥籠的導體座上，并讓電源的接地線接觸地面。

2.開啟高壓電源開關，使鳥籠帶電，調節電壓輸出到5KV左右，隨即可以看到鳥籠外表面各處的白色紙條張開，而其內部的紙條不張開。說明鳥籠上所帶靜電分布在鳥籠的外表面，鳥籠的內表面不帶電，并且金屬絲籠的屏蔽作用使外電場對籠內空間不產生影響，因而鳥籠內電場為0。

3.演示完畢后，先關掉電源開關，再用導線放電。

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驗過程中總是接觸地面；③實驗步驟3必須嚴格按說明去做，千萬不可未關閉靜電高壓電源就進行對帶電體的放電。

三、實驗二

將懸在細線上的帶正電的小球A放在不帶電的金屬空心球C內（不和球壁接觸），另有一個懸掛在細線上的帶負電的小球B向C靠近，如圖所示。通過實驗觀察，可知A球位置不變，B球位置往右偏離豎直方向。

對此實驗現象，可知考慮B對A的作用時，A處在球殼C內，球殼會對其內的A有屏蔽作用，使A不受B的作用。A球通過靜電感應使C的內、外殼分別帶負電和正電，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。

由此實驗可得出結論，不接地金屬球殼能擋住外電場，使其內部電荷不受外電場力，但它擋不住內電場，即A的電場可以分布在球殼以內，使B受向右的吸引力。

靜電屏蔽的本質是靜電感應，所謂導體外面的電場不影響導體內部，只不過是外電場與導體表面的感應電荷在導體內部任一點場強的又疊加結果為零。接地導體的內部電場不影響外部，是因為導體外部的感應電荷都被排斥入地，在只有施感電荷和內壁的感應異種電荷的情況下，兩部分電荷在導體外部任一點場強的疊加為零而已。這樣，我們也就清楚，如果導體球殼不接地，球殼外面的電場實際上就是導體外部的那部分感應電荷激發的電場，等效為導體內部電荷激發的電場影響到了外面。因為如果沒有了內部的施感電荷，外部也不可能出現感應電荷，導體外面也就不可能有電場了。