静电屏蔽的原理及应用

摘要：空腔导体可以屏蔽外电场，而使内部物体不受任何外电场的影响，叫做“静电屏蔽”。主要讲述静电屏蔽的含义及主要应用。

关键词：静电屏蔽　含义　应用

中图分类号：TM1　文献标识码：A　文章编号：1007-3973(2010)012-095-02

1　引例

在科技馆看表演时，工作人员请几位观众进入笼体后关闭笼门，操作员接通高压电源，用放电杆进行放电演示。这时即使笼内人员将手贴在笼壁上，使放电杆向手指放电，笼内人员不仅不会触电，而且还可以体验电子风的清凉感觉。为什么高压电源加在金属笼上人却不会触电呢?

这就是静电屏蔽。

2　静电屏蔽

在屏蔽罩接地后干扰电流经屏蔽外层流入大地导体空腔内无其他带电体的情况下，导体内部和导体的内表面上处处皆无电荷，电荷仅仅分布在导体外表面上。所以腔内的场强和导体内部一样，也处处等于零；各点的电势均相等，而且与导体电势相等。因此，如果把空心的导体放在电场中时，电场线将垂直地终止于导体的外表面上，而不能穿过导体进入腔内。这样，放在导体空腔中的物体因空腔导体屏蔽了外电场，而不会受到任何外电场的影响。综上所述，空腔导体(不论是否接地)的内部空间不受外电荷和电场的影响；接地的空腔导体，腔外空间不受腔内电荷和电场影响，这种现象称为静电屏蔽。

静电屏蔽分为外屏蔽和全屏蔽。

空腔导体在外电场中处于静电平衡，其内部的场强总等于零。因此外电场不可能对其内部空间发生任何影响。若空腔导体内有带电体，在静电平衡时，它的内表面将产生等量异号的感生电荷。如果外壳不接地则外表面会产生与内部带电体等量而同号的感应电荷，此时感应电荷的电场将对外界产生影响，这时空腔导体只能对外电场屏蔽，却不能屏蔽内部带电体对外界的影响，所以叫外屏蔽。如果外壳接地，即使内部有带电体存在，这时内表面感应的电荷与带电体所带的电荷的代数和为零，而外表面产生的感应电荷通过接地线流入大地。外界对壳内无法影响，内部带电体对外界的影响也随之而消除，所以这种屏蔽叫做全屏蔽。

这里还须注意：

(1)实际应用中金属外壳不必严格完全封闭，用金属网罩代替金属壳体也可达到类似的静电屏蔽效果，虽然这种屏蔽并不是完全、彻底的。

(2)在静电平衡时，接地线中是无电荷流动的，但是如果被屏蔽的壳内的电荷随时间变化，或者是壳外附近带电体的电荷随时间而变化，就会使接地线中有电流。屏蔽罩也可能出现剩余电荷，这时屏蔽作用又将是不完全和不彻底的。

总之，封闭导体壳不论接地与否，内部电场不受壳外电荷与电场影响；接地封闭导体壳外电场不受壳内电荷的影响。这种现象，叫静电屏蔽。

3　应用

文章引例中提到的表演就是一个经典应用――“法拉第笼”。其笼体与大地连通，高压电源通过限流电阻将10万伏直流高压输送给放电杆，当放电杆尖端距笼体10厘米时，出现放电火花，根据接地导体静电平衡的条件，笼体是一个等位体，内部电位为零，电场为零，电荷分布在接近放电杆的外表面上。众所周知，人体触电的原因是身体的不同部位存在电位差，强电流通过身体，此时手指虽然接近放电火花，但放电电流是通过手指前方的金属网传入大地，身体并不存在电位差，没有电流通过，所以没有触电的感觉，

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，也不对外部电场产生影响。有些电子器件或测量设备为了免除干扰，都要实行静电屏蔽，如室内高压设备罩上接地的金属罩或较密的金属网罩，电子管用金属管壳；在工程上，为了避免外电场对电气设备(如一些精密的电器测量仪器等)大的干扰，或防止电气设备(如高压装置)的电场对外界产生影响，擦汗那个在这些设备的外面用接地的金属壳品比电场。在弱点工程中，有些传输信号的导线，为了增强抗干扰性能，往往在其绝缘层外再加一层金属编织网，这种线缆称为屏蔽线缆。

在静电实验中，因地球附近存在着大约100Wm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

当今青少年日常使用的MP3防静电袋就是根据“法拉第笼”(“法拉第笼”是由金属网制成，它演示的是静电屏蔽原理。“法拉第笼”在外电作用下接近外电场的部位产生烙应电荷，感应电荷电场与外电场在笼壳内部的迭电场始终为零)原理设计，适用于PCB、IC卡、MP3等静电敏感产品的包装，可防止静电释放带来的损伤，传感部件如MOS、CMOS、FET配件等，在用防静电屏蔽袋包装后，能有效保护因外来静电给内部敏感元件造成的影响和损坏，从而保证MP3的音质以及播放效果能够不受影响。

电磁屏蔽室：要学生端坐在里面，防止他们考试作弊；国外的洗衣机，空调电磁辐射的测量，也都放在电磁屏蔽室中；一些雷达，通信电台，一些加密传输测量，为了保密，就在里面测试；一些深空探测设备，也要在里面测试，可以将发射信号衰减的很微弱，而且场强十分准确；高抗干扰的通信设备，就要在这种电磁“真空”环境调试，才能工作在电子对抗的战场。

又如作全波整流或桥式整流的电源变压器，在初级绕组和次级绕组之间包上金属薄片或绕上一层漆包线并使之接地，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。

还有一个鲜为人知的在理论上的应用：间接验证库仑定律。高斯定理可以从库仑定律推导出来的，如果库仑定律中的平方反比指数不等于2就得不出高斯定理。反之，如果证明了高斯定理，就证明库仑定律的正确性。根据高斯定理，绝缘金属球壳内部的场强应为零，这也是静电屏蔽的结论。若用仪器对屏蔽壳内带电与否进行检测，根据测量结果进行分析就可判定高斯定理的正确性，也就验证了库仑定律的正确性。最近的实验结果是威廉斯等人于1971年完成的，指出在式F=q1q2／r2±8中，6

参考文献：

[1]毛骏健，顾牡，大学物理学[M]，高等教育出版社，2006

[2]孙延林，电子工业静电防护指南[M]，电子工业出版社，2006

[3]郎为民等译，电磁屏蔽原理与应用[M]，机械工业出版社，2010

[4]殷乔民，电工基础知识[M]，中国电力出版社，1998