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。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。
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,等到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。
迈克尔·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 。 高斯散度定理 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 有机高分子化合物 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 均聚物 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
用途
静电屏蔽技术主要应用于减少电子设备、电缆、变压器等运行过程中受到的电磁干扰,以提升设备的可靠性和性能。静电屏蔽具有两方面意义,其一为实际应用意义:通过屏蔽,金属导体壳内的仪器或工作环境可避免外部电场影响,同时也不会对外部电场产生干扰。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。