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空腔导体与静电屏蔽

时间:2022-08-23 百科知识 版权反馈
【摘要】:如图10.5(a),带电量为Q的空腔导体内有一点电荷+q.应用高斯定理,在导体内任取一闭合曲面S,由于静电平衡时导体内部场强处处为零,所以通过闭合曲面S的电通量为零,即这就是说,闭合曲面S所包围的电荷代数和为零.因此,空腔导体内表面上必有等量异号的感应电荷-q出现.由电荷守恒,外表面分布的电荷为Q+q.若空腔内是一负电荷,则空腔内表面上出现等量的正电荷.若空间内无电荷,由高斯定理同样可证明在空腔内

1.空腔导体的电荷分布

先分析带电量为Q的空腔导体电荷的分布,分两种情况.

(1)腔内有电荷.

如图10.5(a),带电量为Q的空腔导体内有一点电荷+q.应用高斯定理,在导体内任取一闭合曲面S,由于静电平衡时导体内部场强处处为零,所以通过闭合曲面S的电通量为零,即

图10.5 空腔导体电荷的分布

这就是说,闭合曲面S所包围的电荷代数和为零.因此,空腔导体内表面上必有等量异号的感应电荷-q出现.由电荷守恒,外表面分布的电荷为Q+q.若空腔内是一负电荷,则空腔内表面上出现等量的正电荷.

(2)腔内无电荷

若空间内无电荷,由高斯定理同样可证明在空腔内表面上也没有净余电荷.但在空腔内表面上是否会存在等量异号电荷而使净余电荷为零呢?

2.静电屏蔽

若把一空腔导体放在静电场中,达到静电平衡时,导体内和空腔中的场强处处为零,即电场线将终止于导体的外表面而不能穿过导体的内表面进入内腔,如图10.6所示.利用这一特征,我们可以用空腔导体来屏蔽外电场,使空腔内的物体不受外电场的影响.

图10.6 用空腔导体屏蔽外电场

上面所述是用空腔导体来屏蔽外电场.我们还可以利用空腔导体防止腔内的带电体对空腔导体外的物体产生影响,如图10.7所示.当导体空腔内有带电体时,空腔内表面上将产生等量异号感应电荷,电场分布如图10.7(a)所示.若将导体壳接地,则导体外表面上的感应电荷因接地而被中和,空腔导体外相应的电场也随之消失,如图10.7(b)所示.这样,接地的导体腔内的电荷对腔外的物体就不会产生任何影响了.综上所述:空腔导体外面的带电体不会影响空腔内部的电场分布,而接地的空腔导体将使外部空间不受腔内电场的影响,这种利用导体的静电平衡特征,使局部空间不受电场影响的现象就是静电屏蔽.

图10.7 接地空腔导体的电场屏蔽作用

静电屏蔽在生产技术中有广泛应用.例如,为避免外界电场对精密电磁测量仪器的干扰,仪器的外壳常用金属制作,传输微弱电信号的同轴电缆外层也加有一层金属丝编织网,以屏蔽外场的干扰.等电势高压带电作业也应用了静电屏蔽,带电作业人员穿上用金属丝网制成的均压服,均压服相当于一个空腔导体,对人体起到电屏蔽作用.另外均压服与人体相比电阻很小,当工作人员经过电势不同区域时,可对幅值较大的脉冲电流进行分流,使大部分电流在均压服上流过,以保证人体的安全.

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