静电屏蔽实验初探

丁志红

(江苏省南京市第27中学,江苏　南京　210022)

静电屏蔽实验初探

丁志红

(江苏省南京市第27中学,江苏南京210022)

本文从相关电磁学基础知识入手,对历史上著名的法拉第笼实验进行探究,简介了静电屏蔽的基本原理,探讨了相关问题.

法拉第笼实验；静电屏蔽;静电平衡

笔者曾走进南京师范大学趣味物理实验室,做了法拉第笼实验(如图1),实验中笼外电光闪闪，噼啪声不断，笼内人淡定而坐,不为所动，实验效果令人震撼.笔者惊叹之余，对实验进行了探究.

图1

1　基本原理

1.1静电感应

如果将导体放在电场强度为E的电场中,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.

1.2静电平衡

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,等大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，静电平衡条件为:

(1) 导体内部场强处处为零.

(2) 导体表面附近处的场强垂直于导体表面，即导体是等势体,导体表面是等势面.

1.3静电屏蔽

(1) 屏蔽概念:在物理学中,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、电磁屏蔽.

(2) 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罩住,使其内部不受影响,如空腔导体接地，则电器设备对外界也不产生影响,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.

2　静电屏蔽原理

导体的空腔内没有电荷时,电荷一定分布在导体的外表面，据此可得到以下结论：

(1) 空腔导体可以屏蔽外电场,使空腔内物体不受外电场影响.这时,整个空腔导体和腔内的电势也必处处相等(如图2).

图2

图3

(2) 接地的空腔导体可以屏蔽腔外电场.如图3所示,将导体壳接地,此时导体壳具有屏蔽作用,使外界不受空腔内生物的影响.

3　实验问题探讨

3.1金属笼的作用

金属笼上网的空隙要小,整个笼子可以看作空腔导体.其作用是在外电场中,能达到静电平衡,确保内部的场强为零，起到屏蔽作用.

当与高压电源相连的绝缘导电杆接近金属笼时，杆上金属球与笼间的电压很高，可击穿空气，产生电火花.而笼中人即使用手触碰金属网，也不会触电，说明金属笼对内起到了静电屏蔽的作用.

3.2金属笼内外悬挂的验电羽

金属笼内外均悬挂了验电羽，当带电金属球靠近笼外验电羽时，验电羽会飘起，表明笼外存在电场；而笼内验电羽则“无动于衷”，表明笼内不存在电场，金属笼对内起到了静电屏蔽的作用.

3.3金属笼需不需接地

当带电绝缘导电杆上金属球接近金属笼时,内部场强为零，对笼中人没有任何影响.若与地绝缘的金属笼不接地,金属笼对地存在电势差，笼外人不得触碰金属笼,否则会有触电危险；如金属笼接地,笼外人与金属笼间无电势差，笼外人即使触碰金属笼也不会有触电危险.

[1] 蔡怀新等.基础物理学.下册[M].北京：高等教育出版社，2003.

[2] 张晓晔等.静电屏蔽物理原理[J].哈尔滨师范大学自然科学学报，2003,19(6).

[3] 黄礼镇.电磁场原理[M].北京:人民教育出版社,1980.

·试题研究·