電磁學七: 高斯定理的運用——「靜電屏蔽

2021-02-20 RFsister創客射頻空間

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物質可分為導體和絕緣體兩大類,但是為什麼導體就能通電?導體與絕緣體的不同的是,導體原子中的電子能夠擺脫約束,自由移動。如果我們將導體放入到電場中會出現什麼情況呢?

為什麼有時候在電梯裡或是大樓裡手機沒有信號呢?

物質可分為導體和絕緣體兩大類,但是為什麼導體就能通電?導體與絕緣體的不同的是,導體原子中的電子能夠擺脫約束,自由移動。如果我們將導體放入到電場中會出現什麼情況呢?

通過前面的學習,導體內的自由電子在電場力的作用下,會逆著電場方向運動。這樣,由於導體內電荷的重新分布,導體中就會出現負電荷分布在一邊,正電荷分布在另一邊,重新達到「平衡」,這就是「靜電平衡」,由此可以得出靜電平衡內部電場的特點:

導體上電荷的分布有以下特點:

如果這個導體是中空的,當它達到靜電平衡時,內部也將沒有電場。這樣,導體的外殼就會對它的內部起到「保護」作用,使它的內部不受外部電場的影響,這種現象稱為靜電屏蔽。

在十九世紀的時候,法拉第曾經冒著被電擊的危險,做了一個聞名於世的實驗——法拉第籠實驗來證明靜電屏蔽(法拉第把自己關在金屬籠內,當籠外發生強大的靜電放電時,什麼事都沒發生)。

靜電屏蔽有兩方面的意義


其一是實際意義:


屏蔽使金屬導體殼內的儀器或工作環境不受外部電場影響,也不對外部電場產生影響。有些電子器件或測量設備為了免除幹擾,都要實行靜電屏蔽。

其二是理論意義:


間接驗證庫侖定律。高斯定理可以從庫侖定律推導出來的,如果庫侖定律中的平方反比指數不等於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。

根據高斯定理,絕緣金屬球殼內部的場強應為零,這也是靜電屏蔽的結論。若用儀器對屏蔽殼內帶電與否進行檢測,根據測量結果進行分析就可判定高斯定理的正確性,也就驗證了庫侖定律的正確性。

【原理應用】

1、高壓作業人員帶電工作時,可通過穿著用金屬絲製成的防護服。當接觸高壓線時,形成 了等電位,使得作業人員的身體沒有電流通過,起到了很好的保護作用。

2、汽車就是一個法拉第籠,由於汽車外殼是個大金屬殼,形成了一個等位體,當駕駛員在 雷雨天行駛時,車裡的人不用擔心遭到雷擊。

3、將精密儀器設備的金屬外殼接地,有效地避免了不必要的電磁幹擾以及雷電襲擊。


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