三種電磁屏蔽

蔣守培

摘要：電磁屏蔽可分為三類：靜電屏蔽、靜磁屏蔽、高頻電磁場的屏蔽。由于所要屏蔽的場的特性不同，因而對(duì)屏蔽殼的要求及其效果也有所不同。

關(guān)鍵詞：靜電屏蔽；靜磁屏蔽；電磁屏蔽

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2014）4（S）-0062-2

一般說來，電磁屏蔽可分為三類：靜電屏蔽、靜磁屏蔽、高頻電磁場的屏蔽。三種屏蔽的共性是防止外界的電磁場進(jìn)入到某個(gè)需要保護(hù)的區(qū)域。它們都是利用屏蔽殼上由外場的感應(yīng)產(chǎn)生的效應(yīng)，來抵消外場的影響。但是由于所要屏蔽的場的特性不同，因而對(duì)屏蔽殼的要求及其效果也有所不同。

1 靜電屏蔽

放在電場中的導(dǎo)體，其內(nèi)部的自由電子受到庫侖力的作用，將向與電場相反的方向移動(dòng)。導(dǎo)體表面電荷重新分布，重新分布的電荷形成的附加電場與外電場疊加，直到導(dǎo)體內(nèi)部場強(qiáng)處處為零才停止自由電子的定向移動(dòng)。這時(shí)導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡狀態(tài)。如圖1（a），靜電平衡時(shí)，導(dǎo)體殼內(nèi)場強(qiáng)為零。因而空腔導(dǎo)體殼內(nèi)不會(huì)受到殼外電荷或其他電場的影響。

如果導(dǎo)體殼內(nèi)有電荷，如圖1（b），由于靜電感應(yīng)。導(dǎo)體殼內(nèi)壁將出現(xiàn)與這一電荷等量的異種電荷。導(dǎo)體殼外壁感應(yīng)出現(xiàn)的等量的同種電荷與導(dǎo)體殼原來的電荷相加。導(dǎo)體殼外出現(xiàn)了新的電場。如果導(dǎo)體殼內(nèi)的電荷發(fā)生變化，導(dǎo)體殼外的場強(qiáng)也將發(fā)生變化。但如果將導(dǎo)體殼與大地相連。則導(dǎo)體殼外電荷將流人大地，當(dāng)導(dǎo)體殼內(nèi)電荷發(fā)生變化時(shí)，雖然導(dǎo)體殼內(nèi)壁感應(yīng)電荷也發(fā)生變化，但導(dǎo)體殼外部電荷不受影響，外部電場當(dāng)然也不受影響。這樣，接地空腔導(dǎo)體完全屏蔽了空腔內(nèi)帶電體對(duì)空腔外的靜電作用。

綜上所述，空腔導(dǎo)體不論接地與否，內(nèi)部電場不受殼外電荷與電場影響：接地空腔導(dǎo)體殼外電場不受殼內(nèi)電荷的影響。利用導(dǎo)體空腔就可以完全屏蔽空腔內(nèi)外靜電場的相互影響，這就是靜電屏蔽作用。實(shí)際上，對(duì)于變化很慢（如50Hz）的交流電而言，雖然其電場是在不斷變化。但由于電場中的導(dǎo)體表面電荷僅在10-19秒數(shù)量級(jí)時(shí)間內(nèi)就完成重新分布，因此導(dǎo)體中的電子有足夠長的時(shí)間移動(dòng)來保證內(nèi)部場強(qiáng)為零，從而屏蔽低頻交流電的電場。因此，防止低頻交流電的電場，也就可以歸結(jié)到靜電屏蔽一類中來。

封閉導(dǎo)體的屏蔽作用是完全的（即內(nèi)部場強(qiáng)可以達(dá)到真正等于零），對(duì)屏蔽殼的厚度和電導(dǎo)率并無要求，也就是說厚一點(diǎn)和薄一點(diǎn)的屏蔽殼。效果并無差別。導(dǎo)電率低的和導(dǎo)電率高的金屬，效果也一樣。只是在把低頻交流電場的屏蔽也包括在內(nèi)時(shí)。對(duì)屏蔽殼的電導(dǎo)率。還是希望高一點(diǎn)好。

2 靜磁屏蔽

將一個(gè)鐵殼放在外磁場中，如圖2，鐵殼的壁與空腔中的空氣可以看成是并聯(lián)的磁路，由于空氣的磁導(dǎo)率u接近于1，而鐵殼的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，所以空腔的磁阻比鐵殼壁的磁阻大得多，則磁場中絕大部分將沿著空腔兩側(cè)的鐵殼壁內(nèi)“通過”。“進(jìn)入”空腔內(nèi)部的磁場是很少的，從而達(dá)到靜磁屏蔽的目的。

由于金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率比空氣的電導(dǎo)率大十幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此靜電屏蔽的效果非常好。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。所以靜磁屏蔽是不完全的。殼的厚度和磁導(dǎo)率對(duì)屏蔽效果有很明顯的影響，殼越厚，導(dǎo)磁率越高，屏蔽效果越好。為了達(dá)到更好的磁屏蔽效果，可以采用多層鐵殼的方法，把漏進(jìn)空腔里的殘余磁場一次次地屏蔽掉。所以效果良好的磁屏蔽一般都比較笨重。但是，若要制造絕對(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。

3 電磁屏蔽

當(dāng)電磁場的變化頻率很高時(shí)（譬如達(dá)到百萬周或更高），導(dǎo)體上的感應(yīng)電荷已不能再看作是靜止的了，導(dǎo)體也就不再處于靜電平衡狀態(tài)。用靜電屏蔽的概念來說明高頻電磁場的屏蔽效應(yīng)是不行的。這時(shí)必須從電磁場在導(dǎo)體中的“透入深度”來考慮。如圖3表示電磁波射向一導(dǎo)體表面的情形。它進(jìn)入導(dǎo)體表面后，在導(dǎo)體中產(chǎn)生一個(gè)高頻的交變電流，這個(gè)電流產(chǎn)生的電磁波在導(dǎo)體內(nèi)部與入射波的位相相反，同時(shí)電流的產(chǎn)生還導(dǎo)致場能的消耗。結(jié)果使得內(nèi)部的電磁場基本上呈指數(shù)衰減，這就是屏蔽作用的來源。對(duì)于良導(dǎo)體。透入的深度與電磁波的頻率、電導(dǎo)率及導(dǎo)磁率都有關(guān)系。頻率越高、電導(dǎo)率越大、導(dǎo)磁率越大，透入深度就越小。對(duì)于鋁、銅、鐵這樣的金屬，若用來屏蔽1兆赫左右的電磁波。只要一張紙那么厚就基本可以了。由于鐵的導(dǎo)磁率高，屏蔽效果尤其好，在電子示波器的示波管外面，總是把一個(gè)鐵的外殼將管子包裹起來，它既可屏蔽高頻電磁場對(duì)電子束的干擾，也可屏蔽低頻磁場和電場對(duì)電子束的干擾。

4 三種屏蔽的區(qū)別與聯(lián)系

在低頻情況下，電磁屏蔽就是靜磁屏蔽。這時(shí)應(yīng)采用鐵磁材料效果很好。而在高頻時(shí)，由于鐵磁材料的磁滯損耗和渦流損失較大，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。

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只能透入屏蔽體一薄層，借渦流消除電磁場的干擾，這種屏蔽體可以不接地。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。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙凱華，陳熙謀.新概念物理教程·電磁學(xué)[M].北京：高教教育出版社，2003.

[2]戚益.三種電磁屏蔽的區(qū)別[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2000，（12）：10.

（欄目編輯 王柏廬）