電磁波屏蔽與靜電屏蔽的區(qū)別

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1、電磁波屏蔽與靜電屏蔽的區(qū)別 The difference between electromagnetic shielding and electrostatic shielding 謝志剛 ( 南縣一中 湖南省 益陽 413200 ) 在火車車廂內(nèi)打開收音機(jī)聽廣播幾乎聽不到聲音。許多物理愛好者把這個(gè)事實(shí)解釋為靜 電屏蔽。這種解釋是錯(cuò)誤的，它混淆了靜電屏蔽與電磁屏蔽這兩個(gè)不同的概念。 1 靜電屏蔽 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 , 或者導(dǎo)體是 否處于外電場(chǎng)中 ,必定為等勢(shì)體 ,其內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為零 ,這是靜電屏蔽的理論基礎(chǔ) .我們以封閉導(dǎo)體 殼內(nèi)的

2、電場(chǎng)為例對(duì)靜電屏蔽作一些討論 . 1.1 封閉導(dǎo)體殼內(nèi)部電場(chǎng)不受殼外電荷或電場(chǎng)影響 . 如殼內(nèi)無帶電體而殼外有電荷 q, 則靜電感應(yīng)使殼外壁帶電 . 靜電平衡時(shí)殼內(nèi)無電場(chǎng) . 這不 是說殼外電荷不在殼內(nèi)產(chǎn)生電場(chǎng) , 由于殼外壁感應(yīng)電場(chǎng)與 q 在殼內(nèi)空間任一點(diǎn)激發(fā)的合場(chǎng)強(qiáng) 為零. 因而導(dǎo)體殼內(nèi)部不會(huì)受到殼外電荷 q 或其他電場(chǎng)的影響 . 殼外壁的感應(yīng)電荷起了自動(dòng)調(diào) 節(jié)作用.如果把上述空腔導(dǎo)體外殼接地 ,靜電平衡后空腔導(dǎo)體與大地等勢(shì) , 空腔內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)仍然為 零. 如果空腔內(nèi)有電荷 , 則空腔導(dǎo)體仍與地等勢(shì) , 導(dǎo)體內(nèi)無電場(chǎng) . 這時(shí)因空腔內(nèi)壁有異號(hào)感應(yīng)電 荷 , 因此空腔內(nèi)有電場(chǎng) . 此電場(chǎng)由殼

3、內(nèi)電荷產(chǎn)生 , 殼外電荷對(duì)殼內(nèi)電場(chǎng)仍無影響 . 由以上討論可 知, 封閉導(dǎo)體殼不論接地與否 , 內(nèi)部電場(chǎng)不受殼外電荷影響 . 1.2 接地封閉導(dǎo)體殼外部電場(chǎng)不受殼內(nèi)電荷的影響 . 如果殼內(nèi)空腔有電荷 q, 因?yàn)殪o電感應(yīng) , 殼內(nèi)壁帶有等量異號(hào)電荷 , 殼外壁帶有等量同號(hào) 電荷, 殼外空間有電場(chǎng)存在 ,此電場(chǎng)可以說是由殼內(nèi)電荷 q 間接產(chǎn)生. 也可以說是由殼外感應(yīng) 電荷直接產(chǎn)生的 . 但如果將外殼接地 , 則殼外電荷將消失 , 殼內(nèi)電荷 q 與內(nèi)壁感應(yīng)電荷在殼外 產(chǎn)生電場(chǎng)為零 . 可見如果要使殼內(nèi)電荷對(duì)殼外電場(chǎng)無影響 , 必須將外殼接地 . 這與第一種情況 不同. 這里還須注意 : (1

4、) 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(nèi)是否有電荷 . (2) 實(shí)際應(yīng)用中金屬外殼不必嚴(yán)格完全封閉 , 用金屬網(wǎng)罩代替金屬殼體也可達(dá)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(shí) , 接地線中是無電荷流動(dòng)的 , 但是如果被屏蔽的殼內(nèi)的電荷隨時(shí)間變化 , 或者是殼外附近帶電體的電荷隨時(shí)間而變化 ,就會(huì)使接地線中有電流 . 屏蔽罩也可能出現(xiàn)剩余 電荷, 這時(shí)屏蔽作用又將是不完全和不徹底的 . 總之,封閉導(dǎo)體殼不論接地與否 ,內(nèi)部電場(chǎng)不受殼外電荷與電場(chǎng)影響 ;

5、接地封閉導(dǎo)體殼外 電場(chǎng)不受殼內(nèi)電荷的影響 . 2 電磁波屏蔽 2.1 趨膚效應(yīng) 廣播電臺(tái)發(fā)射的無線電波是高頻電磁波， 由電磁場(chǎng)理論， 可知，當(dāng)高頻電磁波射向金屬導(dǎo) 體外殼時(shí)，大部分電磁波被反射出去，小部分電磁波透入金屬導(dǎo)體，使導(dǎo)體表面一個(gè)薄層內(nèi) 的自由電子在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)而形成一個(gè)高頻的傳導(dǎo)電流，這個(gè)傳導(dǎo)電流產(chǎn)生焦耳熱， 導(dǎo)致電磁場(chǎng)能量的損耗， 使得進(jìn)入導(dǎo)體內(nèi)部的電磁波迅速衰減為零， 從而實(shí)現(xiàn)了電磁波屏蔽。 電磁場(chǎng)在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播時(shí)，其場(chǎng)量（E和H）的振幅隨距離的增加而按指數(shù)規(guī)律衰減.從能 量的觀點(diǎn)看，電磁波在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播時(shí)有能量損耗，因此，表現(xiàn)為場(chǎng)量振幅的減小.導(dǎo)體表面 的場(chǎng)

6、量愈大，愈深入導(dǎo)體內(nèi)部，場(chǎng)量愈小，愈容易衰減，這種現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)⑴利用趨膚效 應(yīng)可以阻止高頻電磁波透入導(dǎo)體而制成電磁屏蔽裝置 .如果金屬導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率（T與磁導(dǎo) 率卩較大的話，高頻電磁波只能透入其內(nèi)部一個(gè)很小的深度， 例如：頻率為1兆赫的電磁波 射向鐵制外殼，其透入深度僅 0.11毫米。 2.2屏蔽材料的選取 d表示, 用什么材料作電磁屏蔽呢？因電磁波在良導(dǎo)體中衰減很快，把由導(dǎo)體表面感應(yīng)電流衰減到 表面值的1/e（約36.8%）處的厚度稱為趨膚厚度（又稱透入深度）[2],用 ，其中卩和C分別為屏蔽材料的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率 .若電視 3 # 00667m

7、m. 頻率 f=100 MHz,對(duì)銅導(dǎo)體（（T =5.8 X 107s/ m,卩?卩4n X 10-7 H/m）可求出 d=0. 可見良導(dǎo)體的電磁屏蔽效果顯著.如果是鐵（二=107 s/m）貝U d=0.016mm.如果是鋁 （貯=3.54 X10 7 s/m）則 d = 0.0085mm 為了得到有效的屏蔽作用，屏蔽層的厚度必須接近于屏蔽物質(zhì)內(nèi)部的電磁波波長 （，=2二d ）.如在收音機(jī)中，若f = 500kHz,則在銅中 d = 0.094mm（? =0.59mm）.在鋁中d = 0.12mm（ =0.75mm ）.所以在收音機(jī)中用較薄的銅或鋁材料已能得到良好的屏蔽效果 .因?yàn)殡?視頻率更高，透入深度更小些，所需屏蔽層厚度可更薄些，如果考慮機(jī)械強(qiáng)度，要有必要的厚度 火車客車車廂外殼用鋼板制成，在車廂內(nèi)收音機(jī)幾乎收不到廣播， 這個(gè)現(xiàn)象是鋼板對(duì)電磁 波的屏蔽，而不是靜電屏蔽。 主要參考資料： [1] 梁燦彬.電磁學(xué).高等教育出版社 [2] 馮恩信.電磁場(chǎng)與電磁波（第二版）西安交通大學(xué)出版社 作者聯(lián)系方式： 湖南省 南縣一中謝志剛 413200 電話：13511124972 QQ: 67677948 EMAIL : xiezhig4969@ #