“靜電屏蔽”與“動電屏蔽”

楊習(xí)志 楊蒲英

（云南省昆明市第一中學(xué)，云南 昆明 650031）

在“靜電屏蔽”這一章節(jié)里會經(jīng)常遇到這樣的一些問題，第一，既然金屬導(dǎo)體可以屏蔽電場，那為什么我們還能在電梯里打電話.第二，現(xiàn)在的樓房全都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，整個房子被鋼筋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)罩著，為什么我們依然可以在家里面打電話.第三，用手機能不能演示靜電屏蔽現(xiàn)象.第四，商店里賣的孕婦穿的防輻射衣服有用嗎？我們知道手機信號其實就是電磁波，因此，要解決這4個問題就得搞清楚靜電屏蔽與電磁波屏蔽的區(qū)別，電磁波屏蔽暫且被稱之為動電屏蔽，與靜電屏蔽相對應(yīng).

靜電屏蔽是指在外加電場的作用下，導(dǎo)體內(nèi)電荷移動重新分布形成感應(yīng)電場，感應(yīng)電場總是與外電場大小相等，方向相反，故將外電場抵消，使得金屬導(dǎo)體內(nèi)部合場強為0，因此導(dǎo)體空腔內(nèi)的電學(xué)儀器不會受到外加電場的影響.靜電屏蔽不一定要密閉的金屬容器，金屬網(wǎng)也能起到屏蔽作用.例如在高壓線的上方會架兩根金屬線，這兩根金屬線就起到了對高壓線的屏蔽作用.再如高壓線上工作的工人都會穿一件含有金屬網(wǎng)的衣服，以對高壓線周圍的強大電場起到屏蔽的作用.如圖1所示，在不加金屬網(wǎng)罩時，驗電器的絲綢因帶同種電荷而張開；如圖2所示，一旦加上金屬網(wǎng)罩后，由于金屬網(wǎng)的屏蔽作用而使得金屬罩內(nèi)合場強處處為0，故驗電器的絲綢不會張開.

圖1

圖2

圖3

那么當(dāng)把驗電器換成手機時，還能不能起到這樣的效果呢，筆者做了如下實驗.如圖3所示，將一手機放入金屬網(wǎng)罩中，再用另一手機撥打金屬罩內(nèi)手機，信號暢通無阻，兩部手機的信號絲毫沒有減弱，可以正常通話，可見金屬罩屏蔽不了電磁波.因此，這就是為什么我們在電梯里依然可以打電話的原因，同樣在家里依然可以打電話.孕婦的防輻射衣服實際上是在衣服里加了一些金屬絲，顯然，在現(xiàn)在這樣一個充斥著電磁波的環(huán)境中，孕婦的防輻射衣服是沒有用的.那么金屬導(dǎo)體能不能屏蔽掉電磁波呢？

電磁波是變化的電磁場，實際上金屬導(dǎo)體可以屏蔽變化的電場的，只是屏蔽的機制不一樣.當(dāng)金屬導(dǎo)體遇到變化的電場時，金屬導(dǎo)體內(nèi)的自由電子在變化電場的作用下發(fā)生移動形成傳導(dǎo)電流，注意如果是靜電場的話，電荷將在10－19s的時間內(nèi)移動達(dá)到靜電平衡.由于電磁波電場的方向時刻在變，故電荷會持續(xù)不斷的移動而形成電流，電流產(chǎn)生的焦耳熱使電磁波的能量不斷消耗，其能量將按指數(shù)形式衰減，故電磁波只能透入導(dǎo)體的表面薄層導(dǎo)體的電導(dǎo)率越大，電磁波的頻率越高，則穿透深度就越小.穿透深度的公式為，其中ω是電磁波的頻率，μ是真空磁導(dǎo)率，σ是金屬電導(dǎo)率.對于銅，當(dāng)電磁波的頻率為100MHz時，代入公式可計算出穿透深度為7×10－4cm，對于鋁則為8×10－4cm.根據(jù)上面的數(shù)據(jù)可知，對于鋁制盒子，只要其厚度達(dá)到8×10－4cm就可以將手機信號屏蔽在外.要注意的是以上結(jié)論只適用于金屬無漏磁的情況下，即密封性較好的金屬導(dǎo)體，網(wǎng)狀的金屬導(dǎo)體自然是不行的.

這樣一來，我們就知道了，像金屬網(wǎng)罩、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、摻有金屬絲的衣物以及較薄的金屬殼等是阻擋不了電磁波的，那些商店賣的所謂的孕婦防輻射衣物實際上是沒有用的，當(dāng)然防靜電輻射是可以的，但似乎我們周圍的輻射基本都是電磁波，故穿著這些衣物防輻射的意義不大.那么電梯的金屬層厚度遠(yuǎn)大于這個尺寸，為什么我們依然可以在電梯里打電話呢？這是因為電梯并不是完全密封的，其上表面是有透氣孔的，并且電梯的門閉合程度并不高，對于手機信號來說，其波長達(dá)幾十cm，尺寸遠(yuǎn)大于這些細(xì)縫，信號必定能通過衍射的方式進(jìn)入電梯內(nèi)部，因此，要防住電磁波，必須是達(dá)到一定厚度且密閉的金屬導(dǎo)體.于是筆者找來了一個質(zhì)量較好的保溫杯，其密封性和厚度都比較好，重復(fù)上述實驗發(fā)現(xiàn)手機提示“您撥打的電話無法接通”，符合預(yù)期結(jié)果.

1 劉召新.用手機演示靜電屏蔽的可行性探討［J］.物理教學(xué)探討，2010（10）.

2 郭碩鴻.電動力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1997.