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法拉第笼原理

关注:158 发布时间:2021-11-19 21:05:43

“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、高压带电作业原理。这个设备源于法拉第著名的实验——法拉第笼,有被电击的危险。法拉第把自己锁在一个金属笼子里。当笼子外面发生强烈的静电放电时,什么也没发生。

法拉第笼是由金属或良导体制成的笼,由笼体、高压电源、电压显示和控制部分组成。笼体与地面相连。高压电源通过限流电阻向放电棒提供100,000伏dc高压。当放电棒距离笼体10厘米时,出现放电火花。根据接地导体的静电平衡条件,笼体为平行体,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。

法拉第笼的原理是基于静电屏蔽。它的原理是,如果将导体置于电场强度为e的外电场中,导体中的自由电子在电场力的作用下会逆着电场运动。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,这些电荷形成另一个与外电场方向相反的电场,电场强度在e以内。

根据场强叠加原理,导体内的电场强度等于外e和内e的叠加,相等和相反的电场叠加相互抵消,使导体内的总电场强度为零。当导体中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。导体处于静平衡时,内部电场强度处处为零。

由此可以推断,在静电平衡状态下,电荷只分布在导体的外表面。如果这个导体是空心的,当它达到静电平衡时,内部就没有电场了。这样,导体的外壳会在其内部起到“保护”作用,使其内部不受外部电场的影响。这种现象叫做静电屏蔽。

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,人们用金属丝为高压带电操作人员制作了防护服。金属导体外壳内的仪器由金属外壳屏蔽,不受工作环境中外部电场的影响。常用的屏蔽电缆就是基于这个原理。对了,我们的车是法拉第笼。因为车壳是大金属壳,形成等位体。司机在雷雨天气开车时,车内的人不用担心被雷击。

需要注意的是,即使生活在法拉第笼中也不能完全避免电磁辐射。法拉第笼屏蔽不了静电和低速磁场,比如地磁。在法拉第笼中,指南针仍然可以工作,人类无法完全避免电磁辐射。

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