原理
如果将导体放在电场强度为E的外电场中,导体内的自由电子在电场力的作用下,会逆电场方向运动静电屏蔽。这样,导体的负电荷分布在一边,正电荷分布在另一边,这就是静电感应现象。由于导体内电荷的重新分布,这些电荷在与外电场相反的方向形成另一电场,电场强度为E内。根据场强叠加原理,导体内的电场强度等于E外和E内的叠加,等大反向的电场叠加而互相抵消,使得导体内部总电场强度为零。当导体内部总电场强度为零时,导体内的自由电子不再定向移动。物理学中将导体中没有电荷移动的状态叫做静电平衡。处于静电平衡状态的导体,内部电场强度处处为零。由此可推知,处于静电平衡状态的导体,电荷只分布在导体的外表面上。如果这个导体是中空的,当它达到静电平衡时,内部也将没有电场。这样,导体的外壳就会对它的内部起到“保护”作用,使它的内部不受外部电场的影响,这种现象称为静电屏蔽。
法拉第曾经冒着被电击的危险,做了一个闻名于世的实验——法拉第笼实验。法拉第把自己关在金属笼内,当笼外发生强大的静电放电时,事都没发生。
静电屏蔽:为了避免外界电场对仪器设备的影响,或者为了避免电器设备的电场对外界的影响,用一个空腔导体把外电场遮住,使其内部不受影响,也不使电器设备对外界产生影响,这就叫做静电屏蔽。空腔导体不接地的屏蔽为外屏蔽,空腔导体接地的屏蔽为内屏蔽。
在静电平衡状态下,空腔无其它带电体的导体壳和实心导体一样,内部没有电场。不管导体本身带电还是处于外界电场中,这一结论总是对的。这样,导体壳的表面就“保护”了它所包围的区域,使之不受导体壳外表面上的电荷或外界电场的影响,这个现象称为“静电屏蔽”。
要使一个带电体不影响外界,这时可以把带电体放在接地的金属壳或金属网内。假定带电体带正电,其内表面将会出现等量的负电荷。由内部带电体出发的电力线就会全部终止在外壳内表面等量的负电荷上,使电力线不能穿出导体壳。这样就把内部带电体对外界的影响全部隔绝了。也就是外壳内表面的负电荷在导体壳外产生了一电场,它和内部带电体在导体壳外产生的电场处处抵消。如果外壳不接地,在它的外表面还有等量的感应电荷,它的电场将对外界产生影响。如果将外壳接地,外表面产生的感应电荷将流入地下,这样,内部带电体对外界的影响就全部消除了。