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發(fā)表于 2006-10-2 19:14:41
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Re: 請(qǐng)教：磁場(chǎng)如何屏蔽
磁場(chǎng)的屏蔽問題，是一個(gè)既具有實(shí)際意義又具有理論意義的問題,。根據(jù)條件的不同,，電磁場(chǎng)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,。
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+ _5 J0 H: J0 t( ^在靜電平衡狀態(tài)下,，不論是空心導(dǎo)體還是實(shí)心導(dǎo)體；不論導(dǎo)體本身帶電多少,，或者導(dǎo)體是否處于外電場(chǎng)中,，必定為等勢(shì)體，其內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為零,，這是靜電屏蔽的理論基礎(chǔ),。因?yàn)榉忾]導(dǎo)體殼內(nèi)的電場(chǎng)具有典型意義和實(shí)際意義，我們以封閉導(dǎo)體殼內(nèi)的電場(chǎng)為例對(duì)靜電屏蔽作一些討論,。
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（一）封閉導(dǎo)體殼內(nèi)部電場(chǎng)不受殼外電荷或電場(chǎng)影響,。
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如殼內(nèi)無帶電體而殼外有電荷q，則靜電感應(yīng)使殼外壁帶電,。靜電平衡時(shí)殼內(nèi)無電場(chǎng),。這不是說殼外電荷不在殼內(nèi)產(chǎn)生電場(chǎng)，根發(fā)電場(chǎng),。由于殼外壁感應(yīng)出異號(hào)電荷,，它們與q在殼內(nèi)空間任一點(diǎn)激發(fā)的合場(chǎng)強(qiáng)為零。因而導(dǎo)體殼內(nèi)部不會(huì)受到殼外電荷q或其他電場(chǎng)的影響,。殼外壁的感應(yīng)電荷起了自動(dòng)調(diào)節(jié)作用,。如果把上述空腔導(dǎo)體外殼接地，則外殼上感應(yīng)正電荷將沿接地線流入地下,。靜電平衡后空腔導(dǎo)體與大地等勢(shì),，空腔內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)仍然為零。如果空腔內(nèi)有電荷,，則空腔導(dǎo)體仍與地等勢(shì),，導(dǎo)體內(nèi)無電場(chǎng)。這時(shí)因空腔內(nèi)壁有異號(hào)感應(yīng)電荷,，因此空腔內(nèi)有電場(chǎng),。此電場(chǎng)由殼內(nèi)電荷產(chǎn)生，殼外電荷對(duì)殼內(nèi)電場(chǎng)仍無影響。
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9 K4 ?% u* o1 h% D- n% \2 p由以上討論可知,，封閉導(dǎo)體殼不論接地與否,，內(nèi)部電場(chǎng)不受殼外電荷影響。9 ?# U* K8 ]9 k' U) B3 o
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（二）接地封閉導(dǎo)體殼外部電場(chǎng)不受殼內(nèi)電荷的影響,。
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如果殼內(nèi)空腔有電荷q,，因?yàn)殪o電感應(yīng),，殼內(nèi)壁帶有等量異號(hào)電荷，殼外壁帶有等量同號(hào)電荷,，殼外空間有電場(chǎng)存在,，此電場(chǎng)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(yīng)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(yīng)電荷在殼外產(chǎn)生電場(chǎng)為零,�,？梢娙绻箽�(nèi)電荷對(duì)殼外電場(chǎng)無影響,，必須將外殼接地,。這與第一種情況不同,。! V5 E! a$ v2 {' P6 e4 p
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這里還須注意：1 ~/ |% B6 g6 {
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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。
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②實(shí)際應(yīng)用中金屬外殼不必嚴(yán)格完全封閉,，用金屬網(wǎng)罩代替金屬殼體也可達(dá)到類似的靜電屏蔽效果,，雖然這種屏蔽并不是完全,、徹底的,。
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③在靜電平衡時(shí),，接地線中是無電荷流動(dòng)的，但是如果被屏蔽的殼內(nèi)的電荷隨時(shí)間變化,，或者是殼外附近帶電體的電荷隨時(shí)間而變化,，就會(huì)使接地線中有電流。屏蔽罩也可能出現(xiàn)剩余電荷,，這時(shí)屏蔽作用又將是不完全和不徹底的,。
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總之，封閉導(dǎo)體殼不論接地與否,，內(nèi)部電場(chǎng)不受殼外電荷與電場(chǎng)影響；接地封閉導(dǎo)體殼外電場(chǎng)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：
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其一是實(shí)際意義：屏蔽使金屬導(dǎo)體殼內(nèi)的儀器或工作環(huán)境不受外部電場(chǎng)影響，也不對(duì)外部電場(chǎng)產(chǎn)生影響,。有些電子器件或測(cè)量設(shè)備為了免除干擾,，都要實(shí)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(jí)繞組和次級(jí)繞組之間包上金屬薄片或繞上一層漆包線并使之接地,，達(dá)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(duì)人體起屏蔽保護(hù)作用,。在靜電實(shí)驗(yàn)中，因地球附近存在著大約100V／m的豎直電場(chǎng),。要排除這個(gè)電場(chǎng)對(duì)電子的作用,，研究電子只在重力作用下的運(yùn)動(dòng)，則必須有eE＜meg,，可算出E＜10-10V／m,，這是一個(gè)幾乎沒有靜電場(chǎng)的“靜電真空”,，這只有對(duì)抽成真空的空腔進(jìn)行靜電屏蔽才能實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上,，由一個(gè)封閉導(dǎo)體空腔實(shí)現(xiàn)的靜電屏蔽是非常有效的,。
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$ {$ l0 F3 ? k d+ e( q其二是理論意義：間接驗(yàn)證庫侖定律。高斯定理可以從庫侖定律推導(dǎo)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(chǎng)強(qiáng)應(yīng)為零,，這也是靜電屏蔽的結(jié)論,。若用儀器對(duì)屏蔽殼內(nèi)帶電與否進(jìn)行檢測(cè),，根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析就可判定高斯定理的正確性,，也就驗(yàn)證了庫侖定律的正確性,。最近的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是威廉斯等人于1971年完成的,，指出在式
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F=q1q2/r2±δ中，δ＜（2.7±3.1）×10-16，. \9 c; T# _' }7 `
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可見在現(xiàn)階段所能達(dá)到的實(shí)驗(yàn)精度內(nèi),，庫侖定律的平方反比關(guān)系是嚴(yán)格成立的,。從實(shí)際應(yīng)用的觀點(diǎn)看，我們可以認(rèn)為它是正確的,。
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靜磁屏蔽
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& v: H1 u$ r" S& n$ v靜磁場(chǎng)是穩(wěn)恒電流或永久磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)。靜磁屏蔽是利用高磁導(dǎo)率μ的鐵磁材料做成屏蔽罩以屏蔽外磁場(chǎng)。它與靜電屏蔽作用類似而又有不同,。7 w! l/ L0 o1 [
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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(chǎng)中,，絕大部份磁場(chǎng)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?yàn)殍F磁材料的磁導(dǎo)率比空氣的磁導(dǎo)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(chǎng)的磁感應(yīng)線的絕大部份將沿著鐵磁材料壁內(nèi)通過,，而進(jìn)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(chǎng),，從而達(dá)到靜磁屏蔽的目的。材料的磁導(dǎo)率愈高,，筒壁愈厚,，屏蔽效果就愈顯著。因常用磁導(dǎo)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,。
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靜磁屏蔽在電子器件中有著廣泛的應(yīng)用,。例如變壓器或其他線圈產(chǎn)生的漏磁通會(huì)對(duì)電子的運(yùn)動(dòng)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(shí)行靜磁屏蔽。在手表中,，在機(jī)芯外罩以軟鐵薄殼就可以起防磁作用,。
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前面指出，靜電屏蔽的效果是非常好的,。這是因?yàn)榻饘賹?dǎo)體的電導(dǎo)率要比空氣的電導(dǎo)率大十幾個(gè)數(shù)量級(jí),，而鐵磁物質(zhì)與空氣的磁導(dǎo)率的差別只有幾個(gè)數(shù)量級(jí)，通常約大幾千倍,。所以靜磁屏蔽總有些漏磁。為了達(dá)到更好的屏蔽效果,，可采用多層屏蔽,，把漏進(jìn)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(duì)的“靜磁真空”，則可以利用超導(dǎo)體的邁斯納效應(yīng),。即將一塊超導(dǎo)體放在外磁場(chǎng)中,，其體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B永遠(yuǎn)為零。超導(dǎo)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(yīng)用,。
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電磁屏蔽
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電磁場(chǎng)在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播時(shí)，其場(chǎng)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(diǎn)看,，電磁波在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播時(shí)有能量損耗，因此,，表現(xiàn)為場(chǎng)量振幅的減小,。導(dǎo)體表面的場(chǎng)量最大，愈深入導(dǎo)體內(nèi)部,，場(chǎng)量愈小,。這種現(xiàn)象也稱為趨膚效應(yīng)。利用趨膚效應(yīng)可以阻止高頻電磁波透入良導(dǎo)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。/ F' y- @. R2 }; }9 n3 \; k! z
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電磁屏蔽是抑制干擾,，增強(qiáng)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(jī)中，用空芯鋁殼罩在線圈外面,，使它不受外界時(shí)變場(chǎng)的干擾從而避免雜音,。音頻饋線用屏蔽線也是這個(gè)道理。示波管用鐵皮包著,，也是為了使雜散電磁場(chǎng)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。1 n1 J$ V. n5 o$ y6 T6 o- j5 g
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用什么材料作電磁屏蔽呢,？因電磁波在良導(dǎo)體中衰減很快,，把由導(dǎo)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(chǎng)在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播時(shí)，其場(chǎng)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(diǎn)看,，電磁波在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播時(shí)有能量損耗，因此,，表現(xiàn)為場(chǎng)量振幅的減小,。導(dǎo)體表面的場(chǎng)量最大，愈深入導(dǎo)體內(nèi)部，場(chǎng)量愈小,。這種現(xiàn)象也稱為趨膚效應(yīng),。利用趨膚效應(yīng)可以阻止高頻電磁波透入良導(dǎo)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,。
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+ {+ W: W4 F n1 L( I電磁屏蔽是抑制干擾，增強(qiáng)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(jī)中,，用空芯鋁殼罩在線圈外面，使它不受外界時(shí)變場(chǎng)的干擾從而避免雜音,。音頻饋線用屏蔽線也是這個(gè)道理,。示波管用鐵皮包著，也是為了使雜散電磁場(chǎng)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,。
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) C n5 H& D, r4 @1 P) ?用什么材料作電磁屏蔽呢？因電磁波在良導(dǎo)體中衰減很快,，把由導(dǎo)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
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- E/ L. s! y" c. r) g& T其中μ和σ分別為屏蔽材料的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率,。若電視頻率f=100 MHz,，對(duì)銅導(dǎo)體（σ=5.8×107／ ·m，μ≈μo＝4π×10-7H／m）可求出d=0．00667mm,�,？梢娏紝�(dǎo)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,。4 [8 p) |$ t. @ j- w% O
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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(jī)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(jī)中用較薄的銅或鋁材料已能得到良好的屏蔽效果,。因?yàn)殡娨曨l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(jī)械強(qiáng)度,，要有必要的厚度,。在高頻時(shí)，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(dǎo)率的磁屏蔽，而采用高電導(dǎo)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,。) C K2 f( j8 ]8 l. @, @8 y
6 ^5 V: a% r6 k! N' B4 e9 S$ G: L在工頻（50Hz）時(shí),，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(shí)應(yīng)采用鐵磁材料,。因?yàn)樵阼F磁材料中電磁場(chǎng)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(diǎn)也有不同點(diǎn),。相同點(diǎn)是都應(yīng)用高電導(dǎo)率的金屬材料來制作,；不同點(diǎn)是靜電屏蔽只能消除電容耦合，防止靜電感應(yīng),，屏蔽必須接地,。而電磁屏蔽是使電磁場(chǎng)只能透入屏蔽體一薄層，借渦流消除電磁場(chǎng)的干擾,，這種屏蔽體可不接地,。但因用作電磁屏蔽的導(dǎo)體增加了靜電耦合，因此即使只進(jìn)行電磁屏蔽,，也還是接地為好,，這樣電磁屏蔽也同時(shí)起靜電屏蔽作用。
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9 g1 e4 X2 l9 S9 g綜上所述，靜電屏蔽,、靜磁屏蔽,、電磁屏蔽的物理內(nèi)容、物理?xiàng)l件,、屏蔽作用是不同的,，所用材料也要從具體情況出發(fā)。但它們都是屏蔽電磁場(chǎng),，是有本質(zhì)聯(lián)系的,。
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