静电屏蔽物理原理_张晓晔

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1、第19卷哈尔滨师范大学自然科学学报Vol.19,No.62003第6期NATURALSCIENCESJOURNALOFHARBINNORMALUNIVERSITY静电屏蔽物理原理张晓晔白晶段福莲(哈尔滨师范大学)【摘要】本文从电场强度、电势两方面探讨了静电屏蔽的物理原理以及静电屏蔽的实质.关键词:静电屏蔽;场强;电势0引言在物理学中,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、电磁屏蔽是电磁学的三种.这三种屏蔽的根本目的则是依据不图1同的物理原理,利用屏蔽壳上由外场

2、产生的感应在此状态下,导体具有:效应来抵御外场的影响,从而为“保护区”设立了①导体内部场强处处为零,导体是一个等势屏障,抑制了外界的干扰.本文将着重探讨静电屏体,导体表面是个等势面,②导体内部没有未被蔽的物理原理及屏蔽的基本性质.抵消净电荷,电荷只分布在导体的外表面这两个性质.1静电屏蔽的物理原理静电场中的导体居于特殊地位,具有特殊的将导体A放入电场E中,导体A内的电子在性质.下面我们进一步的证明均匀导体内部不可E0作用下移动.导体两端积累正、负电荷.因此产能维持电荷的存在.证明如下:生一个附加电场E′,并与E0反向,此导

3、体A内的由电荷守恒定律总场强ρ=-·J(2)E=E′+E0(1)t而我们所讨论的为静电学问题,有E存在,便有欧姆定律J=νE(3)力存在.因此只有导体内部总场强E=0时,导体及内电子不再发生移动,此状态称为导体静电平衡ρ状态.若总场强E=0时,则必须有E′=E0.而总·E=(4)ε场强E=0为导体处于静电平衡状态的条件.以上三式推导得收稿日期:2003-11-20第6期静电屏蔽物理原理31ρν=-ρ(5)tε(5)式的解为νρ=ρ0exp(-t)(6)ε该解示为ρ,只能做指数衰减趋于0.导体ε-19()的值为10s,所以衰

4、减是极快的.因此导体ν内不具有电荷,即令有电荷也很快消失,跑到导体的表面上.因此在孤立导体内不可能有电场,整个图2导体电势相等,形成一等势体.与均匀带电球面在其内部所产生的场强两对于空心导体壳,如果壳内无孤立绝缘电荷,者叠加.据高斯定理,均匀带电球面在其内部所产则壳内侧也不可能有面电荷,这是因为面电荷必生的场强E=0,因此叠加的结果,球壳内的总场然是电力线的起点或终点.既没有孤立电荷,壳体1q内又没有电场,电力线的起点和终点,只能在壳内强为:Ea=2(b)R2

5、而壳内内部)区域侧由壳本身的导体连接,是一个等势面.因而不可由静电平衡条件,其导体内部场强处处为零,能是同一电力线的起点和终点.可见壳内侧不能而推得有电荷,壳内不能有电场,所有的电荷只能在壳外Eb=0(9)侧,外侧所包围的空间是一等势体.(c)r>R2(球壳外部空间)区域导体壳本身没有电场,壳外电力线只能到壳根据场强叠加原理,点电荷q和球壳内表面外侧.如果壳内有电现象,壳内电力线只能到壳内的电荷-q所产生场强互相抵消,所以球壳外表侧.壳内、外电现象互相无关,只是影响壳本身的面电荷产生的场强就是总场强:电势.若将导体壳接地(

6、φ=0),此时导体壳具有1q屏蔽壳内电现象,使之不受壳外电现象干扰的作Ec=4πε0r2(10)用.这种现象称之为静电屏蔽,导体壳保卫了它所可见它相当于一个点电荷q放在球心产生的包围的区域.电场,它的数量大小会影响整个空间场强的大小,并对外界造成影响.若将球壳接地,由于排斥力的2屏蔽的性质作用,电荷将流入大地,此时Ec=0.因而接地球2.1电场屏蔽壳外部电场的分布不受腔内电荷的影响,空间分为了讨论问题方便,以中性球壳为例.设球成内外两部分,它们的电场可以互不影响,互不干壳中心处有一正电荷q,设球壳内、外半径分别为扰,电场只

7、局限在空心导体的内部,这样腔内电场R1和R2(见图2).当球壳处于静电平衡时,其内就被屏蔽了.为此静电屏蔽消除并抑制里电场对其它导体的影响.对于球壳内部没有带电体的导表面必定带有电荷-q.又因为球壳本身为中性,体,也可以进行类似的讨论.其结论是:无论是球由电荷守恒定律,知该球壳外表面必定带有电荷壳导体外有怎样的电荷分布,都不影响球壳内电+q.(静电感应的结果)球壳具有对称性,球壳场的分布,实际上空腔壳的形状可以任意的.内、外表面电荷的分布是均匀的,球壳在空间各处2.2电位屏蔽场强的分布是由壳内带电体点电荷q和球壳导体接地的

8、腔体不仅成功地实现了电场屏蔽,也内、外表面感应电荷产生的场强叠加的结果.球壳实现了电位屏蔽.场强的分布情况,为三个区域:如图3所示,导体A被导体B包围,导体C在(a)r