靜電屏蔽的原理及應(yīng)用
科技館看表演時(shí)，工作人員請(qǐng)幾位觀眾進(jìn)入籠體后關(guān)閉籠門，操作員接通高壓電源，用放電桿進(jìn)行放電演示。這時(shí)即使籠內(nèi)人員將手貼在籠壁上，使放電桿向手指放電，籠內(nèi)人員不僅不會(huì)觸電，而且還可以體驗(yàn)電子風(fēng)的清涼感覺。為什么高壓電源加在金屬籠上人卻不會(huì)觸電呢?
這就是靜電屏蔽。
靜電屏蔽 　　
　　在屏蔽罩接地后干擾電流經(jīng)屏蔽外層流入大地導(dǎo)體空腔內(nèi)無其他帶電體的情況下，導(dǎo)體內(nèi)部和導(dǎo)體的內(nèi)表面上處處皆無電荷，電荷僅僅分布在導(dǎo)體外表面上。所以腔內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)和導(dǎo)體內(nèi)部一樣，也處處等于零；各點(diǎn)的電勢(shì)均相等，而且與導(dǎo)體電勢(shì)相等。因此，如果把空心的導(dǎo)體放在電場(chǎng)中時(shí)，電場(chǎng)線將垂直地終止于導(dǎo)體的外表面上，而不能穿過導(dǎo)體進(jìn)入腔內(nèi)。這樣，放在導(dǎo)體空腔中的物體因空腔導(dǎo)體屏蔽了外電場(chǎng)，而不會(huì)受到任何外電場(chǎng)的影響。綜上所述，空腔導(dǎo)體(不論是否接地)的內(nèi)部空間不受外電荷和電場(chǎng)的影響；接地的空腔導(dǎo)體，腔外空間不受腔內(nèi)電荷和電場(chǎng)影響，這種現(xiàn)象稱為靜電屏蔽。
　　靜電屏蔽分為外屏蔽和全屏蔽。
　　空腔導(dǎo)體在外電場(chǎng)中處于靜電平衡，其內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)總等于零。因此外電場(chǎng)不可能對(duì)其內(nèi)部空間發(fā)生任何影響。若空腔導(dǎo)體內(nèi)有帶電體，在靜電平衡時(shí)，它的內(nèi)表面將產(chǎn)生等量異號(hào)的感生電荷。如果外殼不接地則外表面會(huì)產(chǎn)生與內(nèi)部帶電體等量而同號(hào)的感應(yīng)電荷，此時(shí)感應(yīng)電荷的電場(chǎng)將對(duì)外界產(chǎn)生影響，這時(shí)空腔導(dǎo)體只能對(duì)外電場(chǎng)屏蔽，卻不能屏蔽內(nèi)部帶電體對(duì)外界的影響，所以叫外屏蔽。如果外殼接地，即使內(nèi)部有帶電體存在，這時(shí)內(nèi)表面感應(yīng)的電荷與帶電體所帶的電荷的代數(shù)和為零，而外表面產(chǎn)生的感應(yīng)電荷通過接地線流入大地。外界對(duì)殼內(nèi)無法影響，內(nèi)部帶電體對(duì)外界的影響也隨之而消除，所以這種屏蔽叫做全屏蔽。
　　這里還須注意：
　　(1)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。
　　(2)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。
　　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。
應(yīng)用 　　
　　文章引例中提到的表演就是一個(gè)經(jīng)典應(yīng)用DD“法拉第籠”。其籠體與大地連通，高壓電源通過限流電阻將10萬伏直流高壓輸送給放電桿，當(dāng)放電桿尖端距籠體10厘米時(shí)，出現(xiàn)放電火花，根據(jù)接地導(dǎo)體靜電平衡的條件，籠體是一個(gè)等位體，內(nèi)部電位為零，電場(chǎng)為零，電荷分布在接近放電桿的外表面上。眾所周知，人體觸電的原因是身體的不同部位存在電位差，強(qiáng)電流通過身體，此時(shí)手指雖然接近放電火花，但放電電流是通過手指前方的金屬網(wǎng)傳入大地，身體并不存在電位差，沒有電流通過，所以沒有觸電的感覺，
　　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；在工程上，為了避免外電場(chǎng)對(duì)電氣設(shè)備(如一些精密的電器測(cè)量?jī)x器等)大的干擾，或防止電氣設(shè)備(如高壓裝置)的電場(chǎng)對(duì)外界產(chǎn)生影響，擦汗那個(gè)在這些設(shè)備的外面用接地的金屬殼品比電場(chǎng)。在弱點(diǎn)工程中，有些傳輸信號(hào)的導(dǎo)線，為了增強(qiáng)抗干擾性能，往往在其絕緣層外再加一層金屬編織網(wǎng)，這種線纜稱為屏蔽線纜。
　　在靜電實(shí)驗(yàn)中，因地球附近存在著大約100Wm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　　當(dāng)今青少年日常使用的MP3防靜電袋就是根據(jù)“法拉第籠”(“法拉第籠”是由金屬網(wǎng)制成，它演示的是靜電屏蔽原理。“法拉第籠”在外電作用下接近外電場(chǎng)的部位產(chǎn)生烙應(yīng)電荷，感應(yīng)電荷電場(chǎng)與外電場(chǎng)在籠殼內(nèi)部的迭電場(chǎng)始終為零)原理設(shè)計(jì)，適用于PCB、IC卡、MP3等靜電敏感產(chǎn)品的包裝，可防止靜電釋放帶來的損傷，傳感部件如MOS、CMOS、FET配件等，在用防靜電屏蔽袋包裝后，能有效保護(hù)因外來靜電給內(nèi)部敏感元件造成的影響和損壞，從而保證MP3的音質(zhì)以及播放效果能夠不受影響。
　　電磁屏蔽室：要學(xué)生端坐在里面，防止他們考試作弊；國(guó)外的洗衣機(jī)，空調(diào)電磁輻射的測(cè)量，也都放在電磁屏蔽室中；一些雷達(dá)，通信電臺(tái)，一些加密傳輸測(cè)量，為了保密，就在里面測(cè)試；一些深空探測(cè)設(shè)備，也要在里面測(cè)試，可以將發(fā)射信號(hào)衰減的很微弱，而且場(chǎng)強(qiáng)十分準(zhǔn)確；高抗干擾的通信設(shè)備，就要在這種電磁“真空”環(huán)境調(diào)試，才能工作在電子對(duì)抗的戰(zhàn)場(chǎng)。
　　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。
　　還有一個(gè)鮮為人知的在理論上的應(yīng)用：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F=q1q2／r2±8中，6<(2.7±3.1)×10-16。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。