靜電屏蔽與電磁屏蔽

劉 倩 艾麗娜

(石家莊理工職業學院 河北 石家莊 050000)

1 引言

“屏蔽”一詞在課堂上還有生活中經常聽到并且被討論，在許多期刊中也有不少文章探討了靜電屏蔽、電磁屏蔽，還有靜電屏蔽與電磁屏蔽的區別[1～3]，但是在上課還有聽課過程中發現學生甚至是有些教師對靜電屏蔽以及電磁屏蔽理解得不夠透徹，有些雜志中的文章對此討論得也不是太全面．本文首先根據靜電屏蔽的概念，從殼內電場和殼外電場兩方面分析了金屬導體殼對外部電場的屏蔽以及接地金屬殼對殼內電場的屏蔽作用，并且給出了直觀的示意圖形．然后分析了金屬對電磁波屏蔽的實質：對電磁波的吸收和反射．又討論了容易讓人們與電磁屏蔽混淆的信號屏蔽儀對手機信號屏蔽的實質:電磁波干擾．

2 靜電屏蔽

在靜電場的作用下，導體中的電荷發生宏觀定向移動，在導體內部形成一個反向的附加電場，達到靜電平衡時，導體內部的場強為零．靜電屏蔽現象是對于一個有空腔的導體殼，導體無論是否接地，其內部電場不受外界電場的影響，而接地的導體殼外部電場不受內部電荷的影響[2，4]．

2.1 殼內電場

圖1 導體腔外有電荷時電場分布

2.2 殼外電場

中性金屬導體腔內放入電荷+q，導體空腔不接地，那么內壁的感應電荷為-q，外壁的感應電荷為+q，外壁會在外部空間產生電場，如圖2所示．這是殼內電荷間接作用的結果．所以對于不接地的導體腔，內部場強會對殼外空間產生影響．

圖2 腔內放入正電荷場強分布(殼不接地)

導體腔內放入電荷+q，導體空腔接地．由于靜電平衡后的導體殼是等勢體，又由于導體殼接地，所以導體殼外的整個區域為等勢區，外殼的感應電荷隨接地線流入大地，外部場強為零[4，5]，如圖3所示．即接地的導體空腔外部的電場不受內部電場的影響．

圖3 腔內放入正電荷場強分布(殼接地)

導體空腔外部有電荷+q，導體空腔外殼接地，空腔內分別不放電荷、放入電荷+q、放入電荷-q，用唯一性定理可以證明[4，7]，外殼接地后，殼外電場不受殼內電荷的影響，如圖4、圖5、圖6所示，不管殼內部電荷情況如何，殼外電場只由殼外的電荷決定．

圖4 接地導體腔(殼內無電荷)殼外場強分布

圖5 接地導體腔(殼內有正電荷)殼外場強分布

圖6 接地導體腔(殼內有負電荷)殼外場強分布

由以上情況可知，接地的封閉金屬導體殼外部的電場不受內部電荷的影響，屏蔽了殼內電場．比如高壓設備外部有很強的電場，通常會把它的外殼接地，使其不影響其他儀器正常工作，起到屏蔽的作用．

3 電磁屏蔽

3.1 導體對電磁波的吸收

電磁波是變化的電場與磁場相互激發形成的，金屬導體對電磁波也具有屏蔽作用，但是其電磁屏蔽與靜電屏蔽有著不同的屏蔽機制．導體中的電磁波為

E=E0e-αxei(βx-ωt)

(1)

式中α為衰減常數，描述波幅的衰減．導體內有自由電子，電子在電磁波場的作用下形成傳導電流，電流會產生焦耳熱，這樣產生的焦耳熱使電磁波的能量不斷損耗．所以，入射進導體內部的電磁波是一種衰減波，由于有衰減因子，電磁波只能透入導體表面薄層內[7]．穿透深度為

(2)

由式(2)可知穿透深度與電導率及頻率的平方根成反比，對于生活中常見的金屬來說，高頻電磁波在金屬中的穿透深度大都在10-5m以上，例如，當100 MHz的電磁波入射到金屬銅表面時，根據式(2)可計算出穿透深度約為7×10-6m，即便當電磁波頻率為50 Hz時，穿透深度為也僅9 mm，所以一般的金屬厚度即可對較寬范圍的電磁波達到屏蔽的效果．

3.2 導體對電磁波的反射

電磁波入射到金屬表面上除了在金屬表層轉化為焦耳熱損耗掉以外，一部分的電磁波還會反射出去[7]，反射系數為

(3)

電導率越高，反射系數越接近于1，對于金屬，在微波或無線電波入射時，電磁波的大部分能量都會被反射出去，這樣金屬就起到了屏蔽的作用．

基于以上的討論我們知道，密閉的金屬導體可以達到屏蔽部分頻率電磁波的效果，但是網狀的金屬、鋼筋混凝土結構的房子等對電磁波是沒有屏蔽效果的，這也就是為什么把手機放到密閉的金屬容器中沒有信號，而在金屬籠、樓房、電梯中卻能接通電話．再有就是近幾年爭論比較大的“孕婦穿的防輻射服到底有沒有效果”,根據靜電屏蔽的原理我們知道，防輻射服中有金屬，所以可以屏蔽靜電場．而對于日常所用的手機、電腦等，輻射出來的都是電磁波，根據電磁屏蔽的原理，若防輻射服只是網狀金屬絲，那么就不會屏蔽電磁波，穿防輻射服是沒有效果的．不過近年來制作防輻射服的技術一直在改良，所以防輻射服若質量達標，選擇合適的款式且貼身穿著，還是能起到屏蔽部分電磁波的作用[8]，而不是像有的文章中所提到的一點作用也沒有．

3.3 電磁干擾

還有一種被稱為電磁“屏蔽”的是當前流行的手機信號屏蔽器．但是這種“屏蔽”原理和上述文中提到的電磁波屏蔽是完全不同的原理．手機信號屏蔽器對電磁波的“屏蔽”準確的說應該被稱為電磁干擾．手機通話是由射頻部分、邏輯部分以及電源部分3部分協調工作完成的，通話時手機把語言信號轉化為電磁信號發送到通信網絡的基站，基站再將此信號發送到運營商的交換網絡，然后通過目標所在地的基站傳遞給目標手機．手機信號屏蔽器會發射電磁波信號，頻率范圍段為869～894 MHz，925～960 MHz，1 780～1 920 MHz以及2 010～2 145 MHz，覆蓋了三大運營商各種制式的不同頻率段．工作過程中的屏蔽器以一定的掃描速度從前向信道的低端頻率向高端掃描．該掃描速度可以在手機接收報文信號中形成亂碼干擾，形成一個立體的屏蔽區域，這樣手機就不能檢測出從基站發出的電磁波信號，從而手機與基站不能建立聯接．

4 結論

靜電屏蔽與電磁屏蔽是兩個不同的概念：“靜電屏蔽”屏蔽的是靜電場，無論外界場強如何，金屬導體腔或者金屬網內部的場強為零，會對放入腔內的物體起到一個保護作用，使其不受外界靜電場的干擾，若把導體接地，不論腔內的靜電場如何，都不會影響腔外的電場分布，即接地導體腔對腔內靜電場起到了屏蔽的作用，使其不影響腔外電場的分布；“電磁屏蔽”是金屬導體對輻射來的電磁波進行吸收(金屬內電子形成傳導電流產生焦耳熱)和反射，所以網狀的金屬對電磁波是沒有屏蔽作用的．另外手機信號“屏蔽”器對電磁波的“屏蔽”實質是對電磁波進行干擾，屏蔽器發出與手機信號相同頻率段的電磁波，在手機接收信號中形成亂碼干擾，使手機失去與基站的聯系，達到一個“屏蔽”信號的效果．