電磁場中的各種靜電屏蔽技術(shù)解析

電場,磁場,電磁場的屏蔽其實是不同的!

磁場的屏蔽問題,是一個既具有實際意義又具有理論意義的問題.根據(jù)條件的不同,電磁場的屏蔽可分為靜電屏蔽、靜磁屏蔽和電磁屏蔽三種情況,這三種情況既具有質(zhì)的區(qū)別,又具有內(nèi)在的聯(lián)系,不能混淆.

靜電屏蔽

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(chǔ).因為封閉導體殼內(nèi)的電場具有典型意義和實際意義,我們以封閉導體殼內(nèi)的電場為例對靜電屏蔽作一些討論.

(一)封閉導體殼內(nèi)部電場不受殼外電荷或電場影響.

如殼內(nèi)無帶電體而殼外有電荷q,則靜電感應使殼外壁帶電.靜電平衡時殼內(nèi)無電場.這不是說殼外電荷不在殼內(nèi)產(chǎn)生電場,根發(fā)電場.由于殼外壁感應出異號電荷,它們與q在殼內(nèi)空間任一點激發(fā)的合場強為零.因而導體殼內(nèi)部不會受到殼外電荷q或其他電場的影響.殼外壁的感應電荷起了自動調(diào)節(jié)作用.如果把上述空腔導體外殼接地,則外殼上感應正電荷將沿接地線流入地下.靜電平衡后空腔導體與大地等勢,空腔內(nèi)場強仍然為零.如果空腔內(nèi)有電荷,則空腔導體仍與地等勢,導體內(nèi)無電場.這時因空腔內(nèi)壁有異號感應電荷,因此空腔內(nèi)有電場.此電場由殼內(nèi)電荷產(chǎn)生,殼外電荷對殼內(nèi)電場仍無影響.

由以上討論可知,封閉導體殼不論接地與否,內(nèi)部電場不受殼外電荷影響.

(二)接地封閉導體殼外部電場不受殼內(nèi)電荷的影響.

如果殼內(nèi)空腔有電荷q,因為靜電感應,殼內(nèi)壁帶有等量異號電荷,殼外壁帶有等量同號電荷,殼外空間有電場存在,此電場可以說是由殼內(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)壁感應電荷在殼外產(chǎn)生電場為零.可見如果要使殼內(nèi)電荷對殼外電場無影響,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實際應用中金屬外殼不必嚴格完全封閉,用金屬網(wǎng)罩代替金屬殼體也可達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,接地線中是無電荷流動的,但是如果被屏蔽的殼內(nèi)的電荷隨時間變化,或者是殼外附近帶電體的電荷隨時間而變化,就會使接地線中有電流.屏蔽罩也可能出現(xiàn)剩余電荷,這時屏蔽作用又將是不完全和不徹底的.

總之,封閉導體殼不論接地與否,內(nèi)部電場不受殼外電荷與電場影響;接地封閉導體殼外電場不受殼內(nèi)電荷的影響.這種現(xiàn)象,叫靜電屏蔽.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(shè)備為了免除干擾,都要實行靜電屏蔽,如室內(nèi)高壓設(shè)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

其二是理論意義:間接驗證庫侖定律.高斯定理可以從庫侖定律推導出來的,如果庫侖定律中的平方反比指數(shù)不等于2就得不出高斯定理.反之,如果證明了高斯定理,就證明庫侖定律的正確性.根據(jù)高斯定理,絕緣金屬球殼內(nèi)部的場強應為零,這也是靜電屏蔽的結(jié)論.若用儀器對屏蔽殼內(nèi)帶電與否進行檢測,根據(jù)測量結(jié)果進行分析就可判定高斯定理的正確性,也就驗證了庫侖定律的正確性.最近的實驗結(jié)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,

可見在現(xiàn)階段所能達到的實驗精度內(nèi),庫侖定律的平方反比關(guān)系是嚴格成立的.從實際應用的觀點看,我們可以認為它是正確的.

靜磁屏蔽

靜磁場是穩(wěn)恒電流或永久磁體產(chǎn)生的磁場.靜磁屏蔽是利用高磁導率μ的鐵磁材料做成屏蔽罩以屏蔽外磁場.它與靜電屏蔽作用類似而又有不同.

靜磁屏蔽的原理可以用磁路的概念來說明.如將鐵磁材料做成截面如圖7的回路,則在外磁場中,絕大部份磁場集中在鐵磁回路中.這可以把鐵磁材料與空腔中的空氣作為并聯(lián)磁路來分析.因為鐵磁材料的磁導率比空氣的磁導率要大幾千倍,所以空腔的磁阻比鐵磁材料的磁阻大得多,外磁場的磁感應線的絕大部份將沿著鐵磁材料壁內(nèi)通過,而進入空腔的磁通量極少.這樣,被鐵磁材料屏蔽的空腔就基本上沒有外磁場,從而達到靜磁屏蔽的目的.材料的磁導率愈高,筒壁愈厚,屏蔽效果就愈顯著.因常用磁導率高的鐵磁材料如軟鐵、硅鋼、坡莫合金做屏蔽層,故靜磁屏蔽又叫鐵磁屏蔽.

靜磁屏蔽在電子器件中有著廣泛的應用.例如變壓器或其他線圈產(chǎn)生的漏磁通會對電子的運動產(chǎn)生作用,影響示波管或顯像管中電子束的聚焦.為了提高儀器或產(chǎn)品的質(zhì)量,必須將產(chǎn)生漏磁通的部件實行靜磁屏蔽.在手表中,在機芯外罩以軟鐵薄殼就可以起防磁作用.

前面指出,靜電屏蔽的效果是非常好的.這是因為金屬導體的電導率要比空氣的電導率大十幾個數(shù)量級,而鐵磁物質(zhì)與空氣的磁導率的差別只有幾個數(shù)量級,通常約大幾千倍.所以靜磁屏蔽總有些漏磁.為了達到更好的屏蔽效果,可采用多層屏蔽,把漏進空腔里的殘余磁通量一次次地屏蔽掉.所以效果良好的磁屏蔽一般都比較笨重.但是,如果要制造絕對的“靜磁真空”,則可以利用超導體的邁斯納效應.即將一塊超導體放在外磁場中,其體內(nèi)的磁感應強度B永遠為零.超導體是完全抗磁體,具有最理想的靜磁屏蔽效果,但目前還不能普遍應用.

電磁屏蔽

電磁場在導電介質(zhì)中傳播時,其場量(E和H)的振幅隨距離的增加而按指數(shù)規(guī)律衰減.從能量的觀點看,電磁波在導電介質(zhì)中傳播時有能量損耗,因此,表現(xiàn)為場量振幅的減小.導體表面的場量最大,愈深入導體內(nèi)部,場量愈小.這種現(xiàn)象也稱為趨膚效應.利用趨膚效應可以阻止高頻電磁波透入良導體而作成電磁屏蔽裝置.它比靜電、靜磁屏蔽更具有普遍意義.

電磁屏蔽是抑制干擾,增強設(shè)備的可靠性及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段.合理地使用電磁屏蔽,可以抑制外來高頻電磁波的干擾,也可以避免作為干擾源去影響其他設(shè)備.如在收音機中,用空芯鋁殼罩在線圈外面,使它不受外界時變場的干擾從而避免雜音.音頻饋線用屏蔽線也是這個道理.示波管用鐵皮包著,也是為了使雜散電磁場不影響電子射線的掃描.在金屬屏蔽殼內(nèi)部的元件或設(shè)備所產(chǎn)生的高頻電磁波也透不出金屬殼而不致影響外部設(shè)備.

用什么材料作電磁屏蔽呢?因電磁波在良導體中衰減很快,把由導體表面衰減到表面值的1/e(約36.8%)處的厚度稱為趨膚厚度(又稱透入深度),用d表示,有電磁屏蔽 ,電磁場在導電介質(zhì)中傳播時,其場量(E和H)的振幅隨距離的增加而按指數(shù)規(guī)律衰減.從能量的觀點看,電磁波在導電介質(zhì)中傳播時有能量損耗,因此,表現(xiàn)為場量振幅的減小.導體表面的場量最大,愈深入導體內(nèi)部,場量愈小.這種現(xiàn)象也稱為趨膚效應.利用趨膚效應可以阻止高頻電磁波透入良導體而作成電磁屏蔽裝置.它比靜電、靜磁屏蔽更具有普遍意義.

電磁屏蔽是抑制干擾,增強設(shè)備的可靠性及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段.合理地使用電磁屏蔽,可以抑制外來高頻電磁波的干擾,也可以避免作為干擾源去影響其他設(shè)備.如在收音機中,用空芯鋁殼罩在線圈外面,使它不受外界時變場的干擾從而避免雜音.音頻饋線用屏蔽線也是這個道理.示波管用鐵皮包著,也是為了使雜散電磁場不影響電子射線的掃描.在金屬屏蔽殼內(nèi)部的元件或設(shè)備所產(chǎn)生的高頻電磁波也透不出金屬殼而不致影響外部設(shè)備.

用什么材料作電磁屏蔽呢?因電磁波在良導體中衰減很快,把由導體表面衰減到表面值的1/e(約36.8%)處的厚度稱為趨膚厚度(又稱透入深度),用d表示,有

其中μ和σ分別為屏蔽材料的磁導率和電導率.若電視頻率f=100 MHz,對銅導體(σ=5.8×107/ ?m,μ≈μo＝4π×10-7H/m)可求出d=0．00667mm.可見良導體的電磁屏蔽效果顯著.如果是鐵(σ＝107/ ?m)則d=0.016mm.如果是鋁(σ＝3.54×107/ ?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(λ=2πd).如在收音機中,若f＝500kHz,則在銅中d＝0.094mm(λ=0.59mm).在鋁中d＝0.12mm(λ=0.75mm ).所以在收音機中用較薄的銅或鋁材料已能得到良好的屏蔽效果.因為電視頻率更高,透入深度更小些,所需屏蔽層厚度可更薄些,如果考慮機械強度,要有必要的厚度.在高頻時,由于鐵磁材料的磁滯損耗和渦流損失較大,從而造成諧振電路品質(zhì)因素Q值的下降,故一般不采用高磁導率的磁屏蔽,而采用高電導率的材料做電磁屏蔽.在電磁材料中,因趨膚電流是渦電流,故電磁屏蔽又叫渦流屏蔽.

在工頻(50Hz)時,銅中的d＝9.45mm,鋁中的d＝11.67mm.顯然,采用銅、鋁已很不適宜了,如用鐵,則d＝0.172mm,這時應采用鐵磁材料.因為在鐵磁材料中電磁場衰減比銅、鋁中大得多.又因是低頻,無需考慮Q值問題.可見,在低頻情況下,電磁屏蔽就轉(zhuǎn)化為靜磁屏蔽.電磁屏蔽和靜電屏蔽有相同點也有不同點.相同點是都應用高電導率的金屬材料來制作;不同點是靜電屏蔽只能消除電容耦合,防止靜電感應,屏蔽必須接地.而電磁屏蔽是使電磁場只能透入屏蔽體一薄層,借渦流消除電磁場的干擾,這種屏蔽體可不接地.但因用作電磁屏蔽的導體增加了靜電耦合,因此即使只進行電磁屏蔽,也還是接地為好,這樣電磁屏蔽也同時起靜電屏蔽作用.
來源；互聯(lián)網(wǎng)