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法拉第笼 改变世界的科技,法拉第笼

2018-10-15 13:47:32来源: 热度:分享:

“法拉第笼”是以电磁学的奠基人、英国著名物理学家迈克尔·法拉第的姓氏命名的一种用于演示等电势、静电屏蔽和高压带电作业原理的设备。此款设备源自法拉第曾经冒着被电击的危险,做了一个闻名于世的实验——法拉第笼实验。法拉第把自己关在金属笼内,当笼外发生强大的静电放电时,什么事都没发生。


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法拉第笼是一个由金属或者良导体形成的笼子,由笼体、高压电源、电压显示器和控制部分组成,其笼体与大地连通,高压电源通过限流电阻将10万伏直流高压输送给放电杆,当放电杆尖端距笼体10厘米时,出现放电火花,根据接地导体静电平衡的条件,笼体是一个等位体,内部电势差为零,电场为零,电荷分布在接近放电杆的外表面上。


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法拉第笼的原理就是基于静电屏蔽,其原理就是如果将导体放在电场强度为E的外电场中,导体内的自由电子在电场力的作用下,会逆电场方向运动。这样,导体的负电荷分布在一边,正电荷分布在另一边。由于导体内电荷的重新分布,这些电荷在与外电场相反的方向形成另一电场,电场强度为E内。根据场强叠加原理,导体内的电场强度等于E外和E内的叠加,等大反向的电场叠加而互相抵消,使得导体内部总电场强度为零。当导体内部总电场强度为零时,导体内的自由电子不再定向移动。物理学中将导体中没有电荷移动的状态叫做静电平衡。处于静电平衡状态的导体,内部电场强度处处为零。由此可推知,处于静电平衡状态的导体,电荷只分布在导体的外表面上。如果这个导体是中空的,当它达到静电平衡时,内部也将没有电场。这样,导体的外壳就会对它的内部起到“保护”作用,使它的内部不受外部电场的影响,这种现象称为静电屏蔽。


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当然法拉第笼的演示还说明了外壳接地的法拉第笼可有效地隔绝笼体内外电磁波干扰从而起到静电屏蔽作用。

基于法拉第笼和静电屏蔽原理,人们制造出了用金属丝制成的高压带电操作员的防护服,通过金属壳屏蔽金属导体壳内的仪器在工作环境不受外部电场影响,也不对外部电场产生影响,已经常用的屏蔽电缆等都是基于这种原理。顺带说一句,我们的汽车就是一个法拉第笼,由于汽车外壳是个大金属壳,形成了一个等位体,当驾驶员在雷雨天行驶时,车里的人不用担心遭到雷击。


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需要说明的是,即使住在法拉第笼子里,也不能完全避免电磁辐射。法拉第笼不能屏蔽静电和低速变化的磁场,比如地磁,在法拉第笼里,指南针照样能工作,人类不可能完全避免电磁辐射。

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