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静电平衡及其应用.doc

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03211002 李浩源 1120100676静电屏蔽及其应用班级:03211002 姓名:李浩源 学号:1120100676摘要:本文从我在日常生活中的遇到的打电话不清楚的的问题出发,提出了静电屏蔽问题,阐明了其原理,并作出了相应的解释与说明,并提出了静电屏蔽的意义,最后从实际出发,介绍的静电屏蔽的原理在生活中的应用。关键词:静电屏蔽,外屏蔽,全屏蔽,静电场,静电平衡我在实际生活中遇到的问题:有时候我们打电话,常常会遇到这样的现象,明明在外面跟别人聊得好好地,结果走进楼里却发现,信号变得不清楚了,听到电话那头的人说话断断续续,很不清楚,当走进电梯的时候,发现信号完全没有,连对方的一点声音都听不见,这又如何解释呢?其实,这个现象就是静电屏蔽的效应,我们现在的大楼是由钢筋混凝土制成的,一个大楼内部有交错相连的一根根钢筋组成,这些钢筋就会形成近似封闭的金属体,我们就在这个巨大的却又有巨大缝隙的的金属网状结构中,发生了比较弱的静电屏蔽现象,因此会听到断断续续的说话声,但总归还是能听到。而到了电梯中,电梯是一个完全封闭的金属立方体,并不像楼的结构,还有很多得缝隙,这时候静电屏蔽现象就会特别明显,因而根本收不到一点信号。这就是我们生活中很常见的一个静电屏蔽现象,静电屏蔽原理在我们生活中的应用有很多,那么这个现象的理论原理又是什么呢?静电屏蔽原理:03211002 李浩源 1120100676导体的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,这种现象称为静电屏蔽。如果将导体放在电场强度为 E 外的外电场中,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。当导体内部总电场强度为零时,导体内的自由电子不再移动。在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,他并未受到任何影响。静电屏蔽分为外屏蔽和全屏蔽:空腔导体在外电场中处于静电平衡,其内部的场强总等于零。因此外电场不可能对其内部空间发生任何影响。若空腔导体内有带电体,在静电平衡时,它的内表面将产生等量异号的感生电荷。如果外壳不接地则外表面会产生与内部带电体等量而同号的感应电荷,此时感应电荷的电场将对外界产生影响,这时空腔导体只能对外电场屏蔽,却不能屏蔽内部带电体对外界的影响,所以叫外屏蔽。如果外壳接地,即使内部有带电体存在,这时内表面感应的电荷与带电体所带的电荷的代数和为零,而外表面产生的感应电荷通过接地线流入大地。外界对壳内无法影响,内部带电体对外界的影响也随之而消除,所以这种屏蔽叫做全屏蔽。在实际应用中,金属外壳不必严格完全封闭,用金属网罩(类似我们前文提到的在楼中打电话)代替金属壳体也可达到类似的静电屏蔽效果,虽然这种屏蔽并不是完全、彻底的。但是也能产生很明显的效果。静电屏蔽的意义:03211002 李浩源 1120100676静电屏蔽的实际意义: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。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 qEmeg,可算出 E<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。静电屏蔽的理论意义其二是理论意义:间接验证库仑定律。高斯定理可以从库仑定律推导出来的,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。在本文中就不做详细讨论。静电屏蔽的应用:为防止外界的场 (包括电场、磁场、电磁场 )进入某个需要保护的区域 ,称为屏蔽。屏蔽分为静电屏蔽、静磁屏蔽、电
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