金属笼静电屏蔽

金属笼静电屏蔽

Metal Cage Electrostatic Shielding

绝缘体不导电，这是常识。然而在静电场中，能对其内部物体起静电屏蔽作用的却非绝缘体空腔，而是导体空腔。

实验装置

金属网笼一个，起电机一台，带有绝缘支架的金属球一个或金属尖棒一根。

图1　金属网笼实物照片

现象观察

1.金属网笼静电屏蔽观察

金属网笼内放一小动物，并置于绝缘台上，起电机工作使金属网笼带电，将带有绝缘支架的接地金属球靠近、但不接触网笼。随着金属网笼的电压不断升高，其与金属球或金属棒之间因尖端放电而不断冒出火花，同时发出劈劈啪啪的声音。观察网笼中的小动物，发现它安然无恙。实验装置和实验演示如图1所示。

2.法拉第圆筒内部不带电观察

图2　法拉第圆筒照片和法拉第圆筒示意图

先用起电机使筒A带电，即观察到A中箔片张开。验电球B先接触A外表面，再与验电器金属球C接触，反复几次后，可看到C金属箔张开，这说明A外表面有电荷。法拉第圆筒照片和法拉第圆筒示意图如图2所示。

但是，若使B反复几次与A内壁接触后再与C接触，则没有观察到C金属箔张开，这表明验证A内壁无电荷。

现象解密

导体内有大量自由电子，在外电场的作用下会逆外场方向运动，使导体迎着外场的一边带负电，而另一边带正电，也就是说，导体被外电场感应出一个方向相反的内电场。内外电场达到静电平衡后，导体内部场强处处为零，电荷只分布在导体的外表面上。对于空腔导体，只要腔内无带电体，腔内空间就无电场，内表面也无电荷。但如果腔内有电荷，则腔内存在电场，同时内表面上将感应出异号等量电荷，外表面上感应出同号等量电荷，腔内空间（包括空腔内表面上的电荷和腔内的电场分布）仍然不受外电场的影响，这是静电屏蔽的第一种情况，即空腔导体可以屏蔽外电场，使其内部物体不受外电场影响。不过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。若将空腔导体接地，空腔外表面上的电荷有可能通过接地线流入大地（是否全部流入大地取决于外部空间其他电荷或电场分布，为什么？）。这时，空腔内电荷对外部空间的影响消失，这是静电屏蔽的第二种情况，即接地空腔导体外部空间的电场不受空腔内电场的影响。

应用拓展

静电屏蔽的一个应用是电工穿上金属屏蔽服可在高压（高达500kV）状态下带电作业，如图3所示。

图3　左边上下两幅小图为屏蔽服，右边是电工在高压下作业。

思考题

1.你能举出几个利用静电屏蔽原理的实例吗？

2.如果空腔导体内部有带电体，将在其壳外壁上感应出电荷，而壳接地可以把电荷引入大地。那么是不是任何情况下，壳外壁都一定不带电？如果不是，则何种情况下壳外壁带电？

3.如果空腔导体外部的电场发生改变，请问空腔导体的接地线中是否有电流流过？为什么？

4.在实际应用中金属外壳不必完全封闭，用金属网罩代替也可达到类似的静电屏蔽效果。有时用一块导体板就能够实现静电屏蔽，你能分析一下原因吗？