法拉第籠原理

關(guān)注：158 發(fā)布時(shí)間：2021-11-19 21:05:43

“法拉第籠”是以電磁學(xué)創(chuàng)始人、英國(guó)著名物理學(xué)家邁克爾法拉第命名的一種設(shè)備，用于演示等電位、靜電屏蔽、高壓帶電作業(yè)原理。這個(gè)設(shè)備源于法拉第著名的實(shí)驗(yàn)——法拉第籠，有被電擊的危險(xiǎn)。法拉第把自己鎖在一個(gè)金屬籠子里。當(dāng)籠子外面發(fā)生強(qiáng)烈的靜電放電時(shí)，什么也沒發(fā)生。

法拉第籠是由金屬或良導(dǎo)體制成的籠，由籠體、高壓電源、電壓顯示和控制部分組成。籠體與地面相連。高壓電源通過限流電阻向放電棒提供100，000伏dc高壓。當(dāng)放電棒距離籠體10厘米時(shí)，出現(xiàn)放電火花。根據(jù)接地導(dǎo)體的靜電平衡條件，籠體為平行體，內(nèi)部電位差為零，電場(chǎng)為零，電荷分布在靠近放電棒的外表面。

法拉第籠的原理是基于靜電屏蔽。它的原理是，如果將導(dǎo)體置于電場(chǎng)強(qiáng)度為e的外電場(chǎng)中，導(dǎo)體中的自由電子在電場(chǎng)力的作用下會(huì)逆著電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)。這樣，導(dǎo)體的負(fù)電荷分布在一側(cè)，正電荷分布在另一側(cè)。由于導(dǎo)體中電荷的重新分布，這些電荷形成另一個(gè)與外電場(chǎng)方向相反的電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度在e以內(nèi)。

根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)疊加原理，導(dǎo)體內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度等于外e和內(nèi)e的疊加，相等和相反的電場(chǎng)疊加相互抵消，使導(dǎo)體內(nèi)的總電場(chǎng)強(qiáng)度為零。當(dāng)導(dǎo)體中的總電場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí)，導(dǎo)體中的自由電子不再定向運(yùn)動(dòng)。在物理學(xué)中，導(dǎo)體中沒有電荷運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)稱為靜電平衡。導(dǎo)體處于靜平衡時(shí)，內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度處處為零。

由此可以推斷，在靜電平衡狀態(tài)下，電荷只分布在導(dǎo)體的外表面。如果這個(gè)導(dǎo)體是空心的，當(dāng)它達(dá)到靜電平衡時(shí)，內(nèi)部就沒有電場(chǎng)了。這樣，導(dǎo)體的外殼會(huì)在其內(nèi)部起到“保護(hù)”作用，使其內(nèi)部不受外部電場(chǎng)的影響。這種現(xiàn)象叫做靜電屏蔽。

當(dāng)然，法拉第籠的演示也表明，接地的法拉第籠可以有效隔離籠內(nèi)外的電磁干擾，從而起到靜電屏蔽的作用。

基于法拉第籠和靜電屏蔽的原理，人們用金屬絲為高壓帶電操作人員制作了防護(hù)服。金屬導(dǎo)體外殼內(nèi)的儀器由金屬外殼屏蔽，不受工作環(huán)境中外部電場(chǎng)的影響。常用的屏蔽電纜就是基于這個(gè)原理。對(duì)了，我們的車是法拉第籠。因?yàn)檐嚉な谴蠼饘贇ぃ纬傻任惑w。司機(jī)在雷雨天氣開車時(shí)，車內(nèi)的人不用擔(dān)心被雷擊。

需要注意的是，即使生活在法拉第籠中也不能完全避免電磁輻射。法拉第籠屏蔽不了靜電和低速磁場(chǎng)，比如地磁。在法拉第籠中，指南針仍然可以工作，人類無法完全避免電磁輻射。

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