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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(wèn)題，是一個(gè)既具有實(shí)際意義又具有理論意義的問(wèn)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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& H# a b# M' I# y; n c6 a2 k6 w靜電屏蔽1 X. T. J ~3 X" |9 X7 Z
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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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9 ~/ w& z# E0 z2 J2 ?（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。0 `3 B, z# W4 O: z8 |5 x
# f# R: D' E& r2 R3 P: Q% T# S$ v如殼內(nèi)無(wú)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(wú)電場(chǎng)。這不是說(shuō)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(wú)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(wú)影響。
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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。
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0 G( O7 q% K& I; c9 d, H& M（二）接地封閉導(dǎo)體殼外部電場(chǎng)不受殼內(nèi)電荷的影響。6 [4 J2 U$ B' T U
/ P. l1 a% h' }7 g4 l: {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(shuō)是由殼內(nèi)電荷q間接產(chǎn)生。也可以說(shuō)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?jiàn)如果要使殼內(nèi)電荷對(duì)殼外電場(chǎng)無(wú)影響，必須將外殼接地。這與第一種情況不同。$ r- P% ]( R5 I, y* A
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這里還須注意：8 [' v, |" o& p6 I, R# j
3 V% ^8 H; R, Y- j# c$ m+ X9 `①我們說(shuō)接地將消除殼外電荷，但并不是說(shuō)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。* {. B: q% m% m% n1 r
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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。: W2 j' T+ j* ?
! ]! d- ~' w% L- X: x# P4 C③在靜電平衡時(shí)，接地線中是無(wú)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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5 R- q* g% Q! V0 T- n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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9 Y2 ?6 i/ ?9 b2 G, d$ @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(méi)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。2 `2 ]/ }; f- f B6 u+ K
2 H: o" G4 E' K0 [# C3 L. h' y; o其二是理論意義：間接驗(yàn)證庫(kù)侖定律。高斯定理可以從庫(kù)侖定律推導(dǎo)出來(lái)的，如果庫(kù)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(kù)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(kù)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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( x+ s k/ C) D TF=q1q2/r2±δ中，δ＜（2.7±3.1）×10-16，( J" s8 `0 x3 M* }7 K
% `% [+ G6 p9 H, o0 \可見(jiàn)在現(xiàn)階段所能達(dá)到的實(shí)驗(yàn)精度內(nèi)，庫(kù)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。& {5 ~. H* B3 a8 X, l: [) }, V
4 z2 j. ]: q8 m靜磁屏蔽 e5 I! N0 `& t; w
9 b" ~" T* Z/ h, ?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。
2 T r( Y+ O2 x, N, u/ h7 s$ p( q' Q. Y2 ~7 I# q
靜磁屏蔽的原理可以用磁路的概念來(lái)說(shuō)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(lái)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(guò)，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(méi)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。5 v& C2 u- x' A2 ~/ d) {; X) {
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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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3 r6 Q/ {- N! U) r$ J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。/ W% s( e; i. a6 a
2 f7 ]+ R3 K+ f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。
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* e. \# c* p# K- ^& m6 `: e9 k8 A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(lái)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。9 i# w* O' H5 J' M7 w
# E2 S5 p4 E K9 d8 l4 D0 y& S) H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。; C/ N% q0 Z, m( W* E- ~
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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(lái)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。6 B# {! _/ h5 w
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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
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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?jiàn)良導(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。
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) V" r1 r4 f/ K0 B! M1 C; r5 j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(zhǎng)（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。; ~6 W# ~! a, H; ?7 x7 ] [- F
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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(wú)需考慮Q值問(wèn)題。可見(jiàn)，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(lái)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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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。 v$ S/ Q y' d/ A
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