静电屏蔽

保护重要元件不受电场干扰的物理应用

静电屏蔽是指导体外壳对它的内部起到“保护”作用，使它的内部不受外部电场的影响。在交联高分子材料或蛋白质等大分子凝胶中，将材料放入高盐浓度溶液中，材料溶胀度降低的现象也称为静电屏蔽效应。

工作原理

1.如果将导体放在电场强度为E的外电场中，导体内的自由电子在电场力的作用下，会逆电场方向运动。这样，导体的负电荷分布在一边，正电荷分布在另一边，这就是静电感应现象。由于导体内电荷的重新分布，这些电荷在与外电场相反的方向形成另一电场，电场强度为E内。根据场强叠加原理，导体内的电场强度等于E外和E内的叠加，等大反向的电场叠加而互相抵消，使得导体内部总电场强度为零。当导体内部总电场强度为零时，导体内的自由电子不再定向移动。物理学中将导体中没有电荷移动的状态叫做静电平衡。处于静电平衡状态的导体，内部电场强度处处为零。由此可推知，处于静电平衡状态的导体，电荷只分布在导体的外表面上。如果这个导体是中空的，当它达到静电平衡时，内部也将没有电场。这样，导体的外壳就会对它的内部起到“保护”作用，使它的内部不受外部电场的影响，这种现象称为静电屏蔽。

法拉第曾经冒着被电击的危险，做了一个闻名于世的实验——法拉第笼实验。法拉第把自己关在金属笼内，当笼外发生强大的静电放电时，什么事都没发生。

静电屏蔽:为了避免外界电场对仪器设备的影响，或者为了避免电器设备的电场对外界的影响，用一个空腔导体把外电场遮住，使其内部不受影响，也不使电器设备对外界产生影响，这就叫做静电屏蔽。空腔导体不接地的屏蔽为外屏蔽，空腔导体接地的屏蔽为内屏蔽。

在静电平衡状态下，不论是空心导体还是实心导体；不论导体本身带电多少，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，这是静电屏蔽的理论基础。

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±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。从实际应用的观点看，我们可以认为它是正确的。

2.在交联高分子中，高分子链侧基由于交联作用而被固定在分子内部，而与侧基基团相对应的反离子则会随着溶剂分子的扩散作用而浓度不断降低，因此造成凝胶内部电荷密度增大，凝胶分子由于静电斥力致使凝胶体积增大，宏观表现为凝胶发生溶胀。在高盐浓度情况下，溶液中的反离子（如Na）浓度很大。当用高盐浓度溶液溶解交联高聚物时，由于溶剂分子的扩散作用反离子也随之扩散到凝胶分子内部，这些反离子与高聚物分子上的侧基结合，屏蔽了分子内部的电荷斥力，致使高聚物分子溶胀度减小。这种现象称为电荷屏蔽（charge screening）

需要注意，如果外部的电场是交变电场，则静电屏蔽的条件不再成立

作用用途

静电屏蔽有两方面的意义，其一是实际意义：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。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。在静电实验中，因地球附近存在着大约100V/m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<10-10V/m，这是一个几乎没有静电场的“静电真空”，这只有对抽成真空的空腔进行静电屏蔽才能实现。事实上，由一个封闭导体空腔实现的静电屏蔽是非常有效的。

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