鸟笼演示静电屏蔽

关于鸟笼演示静电屏蔽实验原理及应用第一部分：鸟笼演示静电屏蔽实验
【实验目的】：观察金属笼(鸟笼)的静电屏蔽现象。

【实验仪器】：高压电源，鸟笼，导线，接地线。

【实验原理】：
根据静电平衡理论,空腔导体本身带静电与其处于腔外电场作用下，发生静电感应并达到静电平衡一样，空腔导体的内部空间不受导体外电场的影响，整个空腔导体是等势体,表面是等势面，且空腔导体的内部空间无所带净电荷, 所带净电荷只能分布在导体表面。

若导体空腔中原本无电荷，则导体内部空间的电场始终为零，净电荷也只能分布在导体外表面，而静电平衡时导体内部空间的场强为零这一规律在技术上应用的效果就是静电屏蔽。

本实验以鸟笼作为空腔导体，用高压电源使鸟笼带电，因此净电荷仅存在于笼体外表面，笼内无电场，由此可直观演示静电屏蔽现象。

【实验步骤】：
1.把高压电源的输出线连接到实验用的金属鸟笼的导体座上，并让电源的接地线
接触地面；
2.开启高压电源开关，使鸟笼带电，调节电压输出到5KV左右，随即可以看到鸟
笼外表面各处的白色纸条张开，而其内部的纸条不张开。

说明鸟笼上所带静电分布在鸟笼的外表面，鸟笼的内表面不带电，并且金属丝笼的屏蔽作用使外电场对笼内空间不产生影响，因而鸟笼内电场为0；
3.演示完毕后，先关掉电源开关，再用导线放电。

【注意事项】：
1.注意高压电源的安全使用，不要用潮湿的手触及电源;
2.必须保证高压电源的接地线在实验过程中总是接触地面;
3.实验步骤3必须严格按说明去做，千万不可未关闭静电高压电源就进行对带电
体的放电。

第二部分:静电屏蔽原理及其应用
摘要
空腔导体可以屏蔽外电场，而使内部物体不受任何外电场的影响，叫做“静电屏蔽”。

主要讲述静电屏蔽的含义及主要应用。

关键词
静电屏蔽；场强；电势。

引例
1为什么把鸟放入一个用金属网制成的鸟笼中，再把鸟笼放入高压电场中，鸟会安然无恙呢？
静电屏蔽的原理
一、静电感应现象
放入电场中的导体，其内部的自由电子在电场力的作用下向电场的反方向作定向移动，致使导体的两端分别出现等量的正、负电荷。

这种现象叫静电感应现象。

二、静电平衡状态
（一）定义：导体中(包括表面)没有电荷定向移动的状态叫做静电平衡状态。

静电平衡状态
（二）处于静电平衡状态导体的性质
(1)导体内部的场强处处为零。

(2)导体表面上任何一点的场强方向跟该点的表面垂直。

(3)导体所带的净电荷只分布在导体的外表面上，导体内部没净电荷。

0=+=＇E E E
导
体
是
等 势
体 (4)处于静电平衡状态的导体是等势体，导体表面是等势面。

（三）静电平衡条件
（1）导体内部任何一点处的电场强度为零；
（2）导体表面处的电场强度的方向,都与导体表面垂直； 导体表面是等势面
导体内部电势相等
三、静电屏蔽
处于静电平衡状态的导体，内部
电场强度处处为零。

空腔导体（不论是否接地）的内部
空间不受外电荷和电场的影响；接地的
空腔导体，腔外空间不受腔内电荷和电场影响，这种现象称为静电屏蔽。

静电屏蔽分为外屏蔽和全屏蔽。

空腔导体在外电场中处于静电平衡，其内部的场强总等于零。

因此外电场不可能对其内部空间发生任何影响。

若空腔导体接地时，外表面上的感应电荷被大地电荷中和，所以l E d ⊥0d =⋅=∆-∴l E U + + + + +
+ E l d n e τe A B 0d =⋅=⎰AB AB l E U
不带电荷。

金属空腔是零等势体。

若空腔导体接地，且腔外有带电体时，外表面上的感应电荷被大地电荷部分中和，所带电荷的多少必须保证腔内、腔内表面、腔外表面以及腔外电荷在导体内产生的场强为零，即满足静电平衡条件。

金属空腔是零电位。

当空腔导体接地时金属空腔是零等势体，由静电场边值问题的唯一性定理可以证明：此时壳内的任何电场都不影响外界，也不受外界影响。

三、对静电屏蔽的总结
理论基础在静电平蘅状态下，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。

下面我们以封闭导体内的电场为例对静电屏蔽做一讨论。

封闭导体内部电场不受壳外电荷或电场影响
如壳内无带电体而壳外有电荷q,则静电感应使壳外壁带电。

静电平衡时壳内无电场。

这不是说壳外电荷不在壳内产生电场，是由于壳外壁感应出异号电荷，它们与q在荷内空间任一点激发的合场强为零。

因而导体荷内部不会受到荷外电荷q或其他电场的影响。

接地封闭导体壳外部电场不受壳内电荷的影响
如果壳内空腔有电壳q, 因为静电感应，壳内部带有等量异号
电荷，壳外部带有等量同号电荷，壳外空间有电场存在，此电场可以说说是由壳内电荷q间接产生.也可以说是由壳外感应电荷直接产生
的.但如果将外壳接地,则壳外电荷将消失,壳内电荷q与内部感应电荷在壳外产生电场为零.可见如果要使壳内电荷对壳外电场无影响,必须将外壳接地.
三、静电屏蔽的意义
实际意义
屏蔽使金属导体壳内的仪器或工作环境不受外部电场影响，也不对外部电场产生影响。

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<meg，可算出E<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。

理论意义
间接验证库仑定律。

高斯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。

五、静电屏蔽的应用
屏蔽装置
在工程技术中，如果需要屏蔽的区域较大，还可采用金属屏蔽网,也有良好的屏蔽效果。

在电子仪器中,为了免受静电干扰，常利用接地的仪器金属外壳作屏蔽装置。

电测量仪器中的某些联接线的导线绝缘外面包有一层金属丝网做为屏蔽。

某些用途的电源变压器中，常在初级绕组与次级绕组之间放置一不闭合的金属薄片作为屏蔽装置。

屏蔽产品
如屏蔽袋、导电袋、有盖的周转箱等，
利用法拉第杯静电屏蔽原理，保护内装物品。

实际应用
>为了防止外界信号的干扰，静电屏蔽被广泛地应用科学技术工作中。

例如电子仪器设备外面的金属罩，通讯电缆外面包的铅皮等等，都是用来防止外界电场干扰的屏蔽措施。

>高压带电作业(500千伏带电作业用的屏蔽服)
>很多电子仪器,比如示波器的接线都是这样的屏蔽线
>汽车外的天线
>有线电视信号线,外面就有一层金属丝,就为了静电屏蔽,使信号不受干扰.
>在服务区怕被人打手机,又不能关机,找个金属盒子装进去,就变成了"您拨打的用户不在服务区"。