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电磁场中的各种静电屏蔽技术解析

电场,磁场,电磁场的樊篱着实是不合的!

磁场的樊篱问题,是一个既具有实际意义又具有理论意义的问题.根据前提的不合,电磁场的樊篱可分为静电樊篱、静磁樊篱和电磁樊篱三种环境,这三种环境既具有质的差别,又具有内在的联系,不能肴杂.

静电樊篱

在静电平衡状态下,不论是空心导体照样实心导体;不论导体本身带电若干,或者导体是否处于外电场中,必定为等势体,其内部场强为零,这是静电樊篱的理论根基.由于封闭导体壳内的电场具有范例意义和实际意义,我们以封闭导体壳内的电场为例对静电樊篱作一些评论争论.

(一)封闭导体壳内部电场不受壳外电荷或电场影响.

如壳内无带电体而壳外有电荷q,则静电感应使壳外壁带电.静电平衡时壳内无电场.这不是说壳外电荷不在壳内孕育发生电场,根发电场.因为壳外壁感应出异号电荷,它们与q在壳内空间任一点引发的合场强为零.因而导体壳内部不会受到壳外电荷q或其他电场的影响.壳外壁的感应电荷起了自动调节感化.假如把上述空腔导体外壳接地,则外壳上感应正电荷将沿接地线流入地下.静电平衡后空腔导体与大年夜地等势,空腔内场强仍旧为零.假如空腔内有电荷,则空腔导体仍与地等势,导体内无电场.这时因空腔内壁有异号感应电荷,是以空腔内有电场.此电场由壳内电荷孕育发生,壳外电荷对壳内电场仍无影响.

由以上评论争论可知,封闭导体壳不论接地与否,内部电场不受壳外电荷影响.

(二)接地封闭导体壳外部电场不受壳内电荷的影响.

假如壳内空腔有电荷q,由于静电感应,壳内壁带有等量异号电荷,壳外壁带有等量同号电荷,壳外空间有电场存在,此电场可以说是由壳内电荷q间接孕育发生.也可以说是由壳外感应电荷直接孕育发生的.但假如将外壳接地,则壳外电荷将消掉,壳内电荷q与内壁感应电荷在壳外孕育发生电场为零.可见假如要使壳内电荷对壳外电场无影响,必须将外壳接地.这与第一种环境不合.

这里还须留意:

①我们说接地将打消壳外电荷,但并不是说在任何环境壳外壁都必然不带电.要是壳外有带电体,则壳外壁仍可能带电,而不论壳内是否有电荷.

②实际利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樊篱效果,虽然这种樊篱并不是完全、彻底的.

③在静电平衡时,接地线中是无电荷流动的,然则假如被樊篱的壳内的电荷随光阴变更,或者是壳外相近带电体的电荷随光阴而变更,就会使接地线中有电流.樊篱罩也可能呈现残剩电荷,这时樊篱感化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.这种征象,叫静电樊篱.静电樊篱有两方面的意义:

其一是实际意义:樊篱使金属导体壳内的仪器或事情情况不受外部电场影响,也纰谬外部电场孕育发生影响.有些电子器件或丈量设备为了免除滋扰,都要推行静电樊篱,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.又如作全波整流或桥式整流的电源变压器,在低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,达到樊篱感化.在高压带电功课中,工人穿上用金属丝或导电纤维织成的均压倒,可以对人体起樊篱保护感化.在静电实验中,因地球相近存在着大年夜约100V/m的竖直电场.要扫除这个电场对电子的感化,钻研电子只在重力感化下的运动,则必须有eE

其二是理论意义:间接验证库仑定律.高斯定理可以从库仑定律推导出来的,假如库仑定律中的平方反比指数不即是2就得不出高斯定理.反之,假如证清楚明了高斯定理,就证实库仑定律的精确性.根据高斯定理,绝缘金属球壳内部的场强应为零,这也是静电樊篱的结论.若用仪器对樊篱壳内带电与否进行检测,根据丈量结果进行阐发就可鉴定高斯定理的精确性,也就验证了库仑定律的精确性.近来的实验结果是威廉斯等人于1971年完成的,指出在式

F=q1q2/r2±δ中,δ<(2.7±3.1)×10-16,

可见在现阶段所能达到的实验精度内,库仑定律的平方反比关系是严格成立的.从实际利用的不雅点看,我们可以觉得它是精确的.

静磁樊篱

静磁场是稳恒电流或永远磁体孕育发生的磁场.静磁樊篱是使用高磁导率μ的铁磁材料做成樊篱罩以樊篱外磁场.它与静电樊篱感化类似而又有不合.

静磁樊篱的道理可以用磁路的观点来阐明.如将铁磁材料做成截面如图7的回路,则在外磁场中,绝大年夜部份磁场集中在铁磁回路中.这可以把铁磁材料与空腔中的空气作为并联磁路来阐发.由于铁磁材料的磁导率比空气的磁导率要大年夜几千倍,以是空腔的磁阻比铁磁材料的磁阻大年夜得多,外磁场的磁感应线的绝大年夜部份将沿着铁磁材料壁内经由过程,而进入空腔的磁通量极少.这样,被铁磁材料樊篱的空腔就基础上没有外磁场,从而达到静磁樊篱的目的.材料的磁导率愈高,筒壁愈厚,樊篱效果就愈显明.因常用磁导率高的铁磁材料如软铁、硅钢、坡莫合金做樊篱层,故静磁樊篱又叫铁磁樊篱.

静磁樊篱在电子器件中有着广泛的利用.例如变压器或其他线圈孕育发生的漏磁通会对电子的运动孕育发生感化,影响示波管或显像管中电子束的聚焦.为了前进仪器或产品的质量,必须将孕育发生漏磁通的部件推行静磁樊篱.在腕表中,在机芯外罩以软铁薄壳就可以起防磁感化.

前面指出,静电樊篱的效果是异常好的.这是由于金属导体的电导率要比空气的电导率大年夜十几个数量级,而铁磁物质与空气的磁导率的区别只有几个数量级,平日约大年夜几千倍.以是静磁樊篱总有些漏磁.为了达到更好的樊篱效果,可采纳多层樊篱,把漏进空腔里的残存磁通量一次次地樊篱掉落.以是效果优越的磁樊篱一样平常都对照粗笨.然则,假如要制造绝对的“静磁真空”,则可以使用超导体的迈斯纳效应.即将一块超导体放在外磁场中,其体内的磁感应强度B永世为零.超导体是完全抗磁体,具有最抱负的静磁樊篱效果,但今朝还不能普遍利用.

电磁樊篱

电磁场在导电介质中传播时,其场量(E和H)的振幅随间隔的增添而按指数规律衰减.从能量的不雅点看,电磁波在导电介质中传播时有能量损耗,是以,体现为场量振幅的减小.导体外面的场量最大年夜,愈深入导体内部,场量愈小.这种征象也称为趋肤效应.使用趋肤效应可以阻拦高频电磁波透入良导体而作成电磁樊篱装配.它比静电、静磁樊篱更具有普遍意义.

电磁樊篱是抑制滋扰,增强设备的靠得住性及前进产品德量的有效手段.合理地应用电磁樊篱,可以抑制外来高频电磁波的滋扰,也可以避免作为滋扰源去影响其他设备.如在收音机中,用空芯铝壳罩在线圈外貌,使它不受外界时变场的滋扰从而避免杂音.音频馈线用樊篱线也是这个事理.示波管用铁皮包着,也是为了使杂散电磁场不影响电子射线的扫描.在金属樊篱壳内部的元件或设备所孕育发生的高频电磁波也透不出金属壳而不致影响外部设备.

用什么材料作电磁樊篱呢?因电磁波在良导体中衰减很快,把由导体外面衰减到外面值的1/e(约36.8%)处的厚度称为趋肤厚度(又称透入深度),用d表示,有电磁樊篱 ,电磁场在导电介质中传播时,其场量(E和H)的振幅随间隔的增添而按指数规律衰减.从能量的不雅点看,电磁波在导电介质中传播时有能量损耗,是以,体现为场量振幅的减小.导体外面的场量最大年夜,愈深入导体内部,场量愈小.这种征象也称为趋肤效应.使用趋肤效应可以阻拦高频电磁波透入良导体而作成电磁樊篱装配.它比静电、静磁樊篱更具有普遍意义.

电磁樊篱是抑制滋扰,增强设备的靠得住性及前进产品德量的有效手段.合理地应用电磁樊篱,可以抑制外来高频电磁波的滋扰,也可以避免作为滋扰源去影响其他设备.如在收音机中,用空芯铝壳罩在线圈外貌,使它不受外界时变场的滋扰从而避免杂音.音频馈线用樊篱线也是这个事理.示波管用铁皮包着,也是为了使杂散电磁场不影响电子射线的扫描.在金属樊篱壳内部的元件或设备所孕育发生的高频电磁波也透不出金属壳而不致影响外部设备.

用什么材料作电磁樊篱呢?因电磁波在良导体中衰减很快,把由导体外面衰减到外面值的1/e(约36.8%)处的厚度称为趋肤厚度(又称透入深度),用d表示,有

此中μ和σ分手为樊篱材料的磁导率和电导率.若电视频率f=100 MHz,对铜导体(σ=5.8×107/ ?m,μ≈μo=4π×10-7H/m)可求出d=0.00667mm.可见良导体的电磁樊篱效果显明.假如是铁(σ=107/ ?m)则d=0.016mm.假如是铝(σ=3.54×107/ ?m)则d=0.0085mm.

为了获得有效的樊篱感化,樊篱层的厚度必须靠近于樊篱物质内部的电磁波波长(λ=2πd).如在收音机中,若f=500kHz,则在铜中d=0.094mm(λ=0.59mm).在铝中d=0.12mm(λ=0.75mm ).以是在收音机顶用较薄的铜或铝材料已能获得优越的樊篱效果.由于电视频率更高,透入深度更小些,所需樊篱层厚度可更薄些,假如斟酌机器强度,要有需要的厚度.在高频时,因为铁磁材料的磁滞损耗和涡流丧掉较大年夜,从而造成谐振电路品德身分Q值的下降,故一样平常不采纳高磁导率的磁樊篱,而采纳高电导率的材料做电磁樊篱.在电磁材猜中,因趋肤电流是涡电流,故电磁樊篱又叫涡流樊篱.

在工频(50Hz)时,铜中的d=9.45mm,铝中的d=11.67mm.显然,采纳铜、铝已很不合适了,如用铁,则d=0.172mm,这时应采纳铁磁材料.由于在铁磁材猜中电磁场衰减比铜、铝中大年夜得多.又因是低频,无需斟酌Q值问题.可见,在低频环境下,电磁樊篱就转化为静磁樊篱.电磁樊篱和静电樊篱有相同点也有不合点.相同点是都利用高电导率的金属材料来制作;不合点是静电樊篱只能打消电容耦合,防止静电感应,樊篱必须接地.而电磁樊篱是使电磁场只能透入樊篱体一薄层,借涡流打消电磁场的滋扰,这种樊篱体可不接地.但因用作电磁樊篱的导体增添了静电耦合,是以纵然只进行电磁樊篱,也照样接地为好,这样电磁樊篱也同时起静电樊篱感化.

滥觞;互联网

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