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法拉第笼原理(法拉第笼子效应图)

作者:南风

“法拉第笼”是以电磁学创始人、英国著名物理学家迈克尔·法拉第命名的一种设备,用于演示等电位、静电屏蔽和高压带电作业的原理。这个装置源于法拉第的著名实验——法拉第笼实验,曾经冒着被电击的危险。法拉第把自己锁在一个金属笼子里。当笼外发生强烈静电放电时,什么也没发生。

法拉第笼原理(法拉第笼子效应图)

法拉第笼是由金属或良导体制成的笼子,由笼体、高压电源、电压显示和控制部分组成。它的笼体与大地相连。高压电源通过限流电阻向放电棒输送10万伏DC电压。当放电棒的尖端距离笼体10厘米时,出现放电火花。根据接地导体静电平衡的条件,笼体是一个平行体,内部电位差为零,电场为零。电荷分布在靠近放电棒的外表面上。

法拉第笼原理(法拉第笼子效应图)

法拉第笼的原理是基于静电屏蔽。其原理是,如果将导体置于电场强度为E的电场中,导体中的自由电子在电场力的作用下会逆电场运动。这样导体的负电荷分布在一侧,正电荷分布在另一侧。由于导体中电荷的重新分布,这些电荷形成了与外电场方向相反的另一个电场,电场强度在e以内。

根据场强叠加原理,导体内部的电场强度等于外E和内E的叠加,大小相等方向相反的电场叠加在一起相互抵消,这样导体内部的总电场强度为零。当导体内部的总电场强度为零时,导体中的自由电子不再定向运动。在物理学中,导体中没有电荷运动的状态称为静电平衡。当导体处于静电平衡时,内部电场强度处处为零。

由此可以推断,静电平衡中导体的电荷只分布在导体的外表面。如果这个导体在空,当它达到静电平衡时,内部就没有电场了。这样,导体的外壳就会在其内部起到“保护”作用,使其内部不受外界电场的影响。这种现象被称为静电屏蔽。

法拉第笼原理(法拉第笼子效应图)

当然,法拉第笼的演示也表明,接地的法拉第笼可以有效隔离笼内外的电磁干扰,从而起到静电屏蔽的作用。

基于法拉第笼和静电屏蔽的原理,人们用金属丝制作了高压带电作业人员的防护服。金属导体外壳中的仪器,在工作环境中被金属外壳屏蔽掉外界电场,一直以来常用的屏蔽电缆都是基于这个原理。顺便说一下,我们的车是法拉第笼。因为车壳是一个很大的金属壳,形成一个等位基因,所以当司机在雷雨天气行驶时,车里的人不用担心被雷击。

法拉第笼原理(法拉第笼子效应图)

需要注意的是,即使生活在法拉第笼中,也无法完全避免电磁辐射。法拉第笼无法屏蔽静电和低速变化的磁场,比如地磁。在法拉第笼中,指南针依然可以工作,人类无法完全避免电磁辐射。

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