導(dǎo)體的殼體對(duì)它的內(nèi)部起到“保護(hù)”作用,使它的內(nèi)部不受外部電場(chǎng)的影響,這些現(xiàn)象稱(chēng)為靜電屏蔽。在交聯(lián)高分子材料或蛋白質(zhì)等大分子凝膠中,將材料裝入高鹽含量氨水中,材料蠕變度減少的現(xiàn)象稱(chēng)作為靜電屏蔽效應(yīng)。
靜電屏蔽的工作原理
若果將導(dǎo)體置于電場(chǎng)硬度為E的外電場(chǎng)中,導(dǎo)體內(nèi)的自由電子在電場(chǎng)力的作用下,會(huì)逆電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)。這樣,導(dǎo)體的負(fù)電荷分布在一邊,正電荷分布在另一邊,這就是靜電感應(yīng)現(xiàn)象。因?yàn)閷?dǎo)體內(nèi)電荷的重新分布,這種電荷在與外電場(chǎng)相反的方向產(chǎn)生另一電場(chǎng),電場(chǎng)硬度為E內(nèi)。按照?qǐng)鰪?qiáng)疊加原理,導(dǎo)體內(nèi)的電場(chǎng)硬度等于E外和E內(nèi)的疊加,等到反向的電場(chǎng)疊加而相互抵消,致使導(dǎo)體內(nèi)部總電場(chǎng)硬度為零。當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)部總電場(chǎng)硬度為零時(shí),導(dǎo)體內(nèi)的自由電子不再定向聯(lián)通。化學(xué)學(xué)上將導(dǎo)體中沒(méi)有電荷聯(lián)通的狀態(tài)稱(chēng)作靜電平衡。處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體,內(nèi)部電場(chǎng)硬度處處為零。由此可推知,處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體,電荷只分布在導(dǎo)體的外表面上。假如這個(gè)導(dǎo)體是中空的,當(dāng)它達(dá)到靜電平衡時(shí),內(nèi)部也將沒(méi)有電場(chǎng)。這樣,導(dǎo)體的殼體都會(huì)對(duì)它的內(nèi)部起到“保護(hù)”作用,使它的內(nèi)部不受外部電場(chǎng)的影響,這些現(xiàn)象稱(chēng)為靜電屏蔽。
靜電屏蔽:為了防止外界電場(chǎng)對(duì)儀器設(shè)備的影響,或則為了防止家電設(shè)備的電場(chǎng)對(duì)外界的影響,用一個(gè)空腔導(dǎo)體把外電場(chǎng)擋住,使其內(nèi)部不受影響,也不使家電設(shè)備對(duì)外界形成影響,這就稱(chēng)作靜電屏蔽。空腔導(dǎo)體不接地的屏蔽為外屏蔽,空腔導(dǎo)體接地的屏蔽為內(nèi)屏蔽。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,或則導(dǎo)體是否處于外電場(chǎng)中,必將為等勢(shì)體,其內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為零,這是靜電屏蔽的理論基礎(chǔ)。
靜電屏蔽的用途
靜電屏蔽有兩方面的意義,其二是實(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(chǎng)影響,也不對(duì)外部電場(chǎng)形成影響。有些電子元件或檢測(cè)設(shè)備為了免交干擾,都要推行靜電屏蔽,如室外高壓設(shè)備罩上接地的金屬罩或較密的金屬網(wǎng)罩,電子好使金屬管殼。又如作全波檢波或橋式檢波的電源變壓器,在中級(jí)定子和次級(jí)定子之間包上金屬薄片或繞上一層漆包線并使之接地靜電屏蔽,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(duì)人體起屏蔽保護(hù)作用。在靜電實(shí)驗(yàn)中,因月球附近存在著大概100V/m的豎直電場(chǎng)。要排除這個(gè)電場(chǎng)對(duì)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《10-10V/m,這是一個(gè)幾乎沒(méi)有靜電場(chǎng)的“靜電真空”,這只有對(duì)抽成真空的空腔進(jìn)行靜電屏蔽就能實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上,由一個(gè)封閉導(dǎo)體空腔實(shí)現(xiàn)的靜電屏蔽是特別有效的。
靜電屏蔽的兩種類(lèi)型
靜電屏蔽雖然就只有兩種,一種是空腔導(dǎo)體處在外電場(chǎng)中,內(nèi)部電場(chǎng)硬度是為0的,另一種是空腔導(dǎo)體內(nèi)有帶電體的情況,此時(shí)空腔要接地才有屏蔽的療效。
靜電屏蔽接地與不接地
一切物質(zhì)都由分子構(gòu)成(這兒不是指物理上的分子),構(gòu)成分子的粒子是帶電的,因而在外電場(chǎng)條件下,粒子將會(huì)有相應(yīng)的作用出現(xiàn)。
對(duì)于金屬導(dǎo)體,一個(gè)精典數(shù)學(xué)學(xué)的模型是:將每位金屬原子分為原子核和核外電子兩部份,原子核是不可自由運(yùn)動(dòng)的,它們按一定排列堆積在一起靜電屏蔽,組成所謂“晶格”;而電子可以自由運(yùn)動(dòng),就像“氣體”一般流動(dòng)。在這些情況下,導(dǎo)體靜電感應(yīng)主要是電子在外電場(chǎng)下定向聯(lián)通所致。
外電場(chǎng)作用下,電子定向聯(lián)通后,宏觀表現(xiàn)為導(dǎo)體表面出現(xiàn)感應(yīng)電荷,同時(shí)內(nèi)部也將遭到感應(yīng)電荷電場(chǎng)的影響。因?yàn)殡娮勇?lián)通的自由性,只有當(dāng)感應(yīng)電荷電場(chǎng)與外電場(chǎng)疊加使導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)為零的情況下,電子才停止聯(lián)通。這也是我們估算感應(yīng)電荷分布的原理。
因?yàn)殡妶?chǎng)的疊加原理,我們可以分別考慮。在不接地的情況下:外電場(chǎng),與外電場(chǎng)效應(yīng)相抵消的感應(yīng)電荷電場(chǎng),在電荷守恒的情況下“多余”的電荷的電場(chǎng)(有點(diǎn)疑惑,就是第二種情況下估算一部份電荷,導(dǎo)體總的是不帶電的,之后還會(huì)有另一部份電荷與第二部份抵消。)其中前三者效應(yīng)總是互相抵消,前者與第二種等量異性,其分布總是使自身形成電場(chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)部硬度為零。
以均勻球殼為例,內(nèi)部放置一點(diǎn)電荷,則可知內(nèi)表面將會(huì)出現(xiàn)負(fù)電荷與其電場(chǎng)效應(yīng)相抵消,按照電荷守恒,還有等量的正電荷怎么分布?這時(shí)可以不考慮前兩個(gè)電場(chǎng)的效應(yīng)(由于早已抵消了),學(xué)過(guò)化學(xué)大賽的同道都曉得,一定量的電荷均勻分布于球殼表面時(shí)對(duì)其內(nèi)部任一點(diǎn)形成電場(chǎng)為零,則可知正電荷會(huì)均勻分布于球殼表面。
如今說(shuō)接地的問(wèn)題。可知前三者是一定存在的,不會(huì)受接地的影響。而接地的一大前提,就是可將月球視作一個(gè)巨大的導(dǎo)體球,其電勢(shì)永遠(yuǎn)為零(這是有化學(xué)根據(jù)的,具體問(wèn)題請(qǐng)參閱相關(guān)教材或中學(xué)大賽書(shū))。則任一導(dǎo)體接地后,因?yàn)殡妱?shì)差的關(guān)系,其表面的第三種電荷總是會(huì)流入大地,以達(dá)到內(nèi)部的平衡。所以,當(dāng)接地時(shí),會(huì)有電荷流入大地,致使本來(lái)不帶電的導(dǎo)體總體上反倒帶電了。(對(duì)于原本就帶電的導(dǎo)體在外電場(chǎng)作用下的情況,可將所帶電荷與第三種電荷合并估算。)
靜電屏蔽的應(yīng)用
為了避免外界訊號(hào)的干擾,靜電屏蔽被廣泛地應(yīng)用科學(xué)技術(shù)工作中。諸如電子儀器設(shè)備外邊的金屬罩,通信線纜外邊包的鉛皮等等,都是拿來(lái)避免外界電場(chǎng)干擾的屏蔽舉措。
①高壓帶電作業(yè)(500千伏帶電作業(yè)用的屏蔽服)
②很多電子儀器,例如示波器的接線都是這樣的屏蔽線
③汽車(chē)外的天線
④有線電視訊號(hào)線,外邊就有一層金屬絲,就為了靜電屏蔽,使訊號(hào)不受干擾
⑤在服務(wù)區(qū)怕被人打手機(jī),又不能死機(jī),找個(gè)金屬袋子裝進(jìn)去,就弄成了“您撥通的用戶不在服務(wù)區(qū)”