靜電屏蔽的原理、用途、兩種類型、接地與不接地、應用

　　導體的外殼對它的內(nèi)部起到“保護”作用，使它的內(nèi)部不受外部電場的影響，這種現(xiàn)象稱為靜電屏蔽。在交聯(lián)高分子材料或蛋白質(zhì)等大分子凝膠中，將材料放入高鹽濃度溶液中，材料溶脹度降低的現(xiàn)象也稱為靜電屏蔽效應。

靜電屏蔽的工作原理

　　如果將導體放在電場強度為E的外電場中，導體內(nèi)的自由電子在電場力的作用下，會逆電場方向運動。這樣，導體的負電荷分布在一邊，正電荷分布在另一邊，這就是靜電感應現(xiàn)象。由于導體內(nèi)電荷的重新分布，這些電荷在與外電場相反的方向形成另一電場，電場強度為E內(nèi)。根據(jù)場強疊加原理，導體內(nèi)的電場強度等于E外和E內(nèi)的疊加，等到反向的電場疊加而互相抵消，使得導體內(nèi)部總電場強度為零。當導體內(nèi)部總電場強度為零時，導體內(nèi)的自由電子不再定向移動。物理學中將導體中沒有電荷移動的狀態(tài)叫做靜電平衡。處于靜電平衡狀態(tài)的導體，內(nèi)部電場強度處處為零。由此可推知，處于靜電平衡狀態(tài)的導體，電荷只分布在導體的外表面上。如果這個導體是中空的，當它達到靜電平衡時，內(nèi)部也將沒有電場。這樣，導體的外殼就會對它的內(nèi)部起到“保護”作用，使它的內(nèi)部不受外部電場的影響，這種現(xiàn)象稱為靜電屏蔽。

　　靜電屏蔽：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(nèi)部不受影響，也不使電器設備對外界產(chǎn)生影響，這就叫做靜電屏蔽?？涨粚w不接地的屏蔽為外屏蔽，空腔導體接地的屏蔽為內(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(nèi)部場強為零，這是靜電屏蔽的理論基礎。

靜電屏蔽的用途

　　靜電屏蔽有兩方面的意義，其一是實際意義：屏蔽使金屬導體殼內(nèi)的儀器或工作環(huán)境不受外部電場影響，也不對外部電場產(chǎn)生影響。有些電子器件或測量設備為了免除干擾，都要實行靜電屏蔽，如室內(nèi)高壓設備罩上接地的金屬罩或較密的金屬網(wǎng)罩，電子管用金屬管殼。又如作全波整流或橋式整流的電源變壓器，在初級繞組和次級繞組之間包上金屬薄片或繞上一層漆包線并使之接地，達到屏蔽作用。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《10-10V/m，這是一個幾乎沒有靜電場的“靜電真空”，這只有對抽成真空的空腔進行靜電屏蔽才能實現(xiàn)。事實上，由一個封閉導體空腔實現(xiàn)的靜電屏蔽是非常有效的。

靜電屏蔽的兩種類型

　　靜電屏蔽其實就只有兩種，一種是空腔導體處在外電場中，內(nèi)部電場強度是為0的，另一種是空腔導體內(nèi)有帶電體的情況，此時空腔要接地才有屏蔽的效果。

靜電屏蔽接地與不接地

　　一切物質(zhì)都由分子構(gòu)成（這里不是指化學上的分子），構(gòu)成分子的粒子是帶電的，因此在外電場條件下，粒子將會有相應的作用出現(xiàn)。

　　對于金屬導體，一個經(jīng)典物理學的模型是：將每個金屬原子分為原子核和核外電子兩部分，原子核是不可自由運動的，它們按一定排列堆積在一起，組成所謂“晶格”；而電子可以自由運動，如同“氣體”一般流動。在這種情況下，導體靜電感應主要是電子在外電場下定向移動所致。

　　外電場作用下，電子定向移動后，宏觀表現(xiàn)為導體表面出現(xiàn)感應電荷，同時內(nèi)部也將受到感應電荷電場的影響。由于電子移動的自由性，只有當感應電荷電場與外電場疊加使導體內(nèi)部電場為零的情況下，電子才停止移動。這也是我們計算感應電荷分布的原理。

　　由于電場的疊加原理，我們可以分別考慮。在不接地的情況下：外電場，與外電場效應相抵消的感應電荷電場，在電荷守恒的情況下“多余”的電荷的電場（有點費解，就是第二種情況下計算一部分電荷，導體總的是不帶電的，然后就會有另一部分電荷與第二部分抵消。）其中前兩者效應總是相互抵消，后者與第二種等量異性，其分布總是使自身產(chǎn)生電場在導體內(nèi)部強度為零。

　　以均勻球殼為例，內(nèi)部放置一點電荷，則可知內(nèi)表面將會出現(xiàn)負電荷與其電場效應相抵消，根據(jù)電荷守恒，還有等量的正電荷如何分布？這時可以不考慮前兩個電場的效應（因為已經(jīng)抵消了），學過物理競賽的同道都知道，一定量的電荷均勻分布于球殼表面時對其內(nèi)部任一點產(chǎn)生電場為零，則可知正電荷會均勻分布于球殼表面。

　　現(xiàn)在說接地的問題?？芍皟烧呤且欢ù嬖诘模粫芙拥氐挠绊?。而接地的一大前提，就是可將地球視作一個巨大的導體球，其電勢永遠為零（這是有物理依據(jù)的，具體問題請參閱相關教材或高中競賽書）。則任一導體接地后，由于電勢差的關系，其表面的第三種電荷總是會流入大地，以達到內(nèi)部的平衡。所以，當接地時，會有電荷流入大地，造成原本不帶電的導體總體上反而帶電了。（對于本來就帶電的導體在外電場作用下的情況，可將所帶電荷與第三種電荷合并計算。）

靜電屏蔽的應用

　　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。

　?、佟「邏簬щ娮鳂I(yè)（500千伏帶電作業(yè)用的屏蔽服）

　　②　很多電子儀器，比如示波器的接線都是這樣的屏蔽線

　?、邸∑囃獾?a target="_blank">天線

　　④　有線電視信號線，外面就有一層金屬絲，就為了靜電屏蔽，使信號不受干擾

　　⑤　在服務區(qū)怕被人打手機，又不能關機，找個金屬盒子裝進去，就變成了“您撥打的用戶不在服務區(qū)”