屏蔽

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在交流收音机里,从检波器检出的微弱信号要用隔离线接到音频放大级去。隔离线是在绝缘导线的外面套上一层金属编织网,以防止外界的电磁场对导线内的信号产生干扰。收音机的中频变压器都加有一个金属罩(见图1),以防止中频信号窜到空间,相互干扰,产生自激振荡。有的线圈外面罩有磁帽或磁盒,这样可防止内部的磁场对外界的影响。

图1
图1 🔍原图 (249×837)

还可以举出许多其他的例子。这些用低电阻的金属或高导磁率的材料做成一个“外罩”,以防止罩内和罩外电磁场相互影响的措施叫做屏蔽。

金属外罩是怎样起屏蔽作用的呢?下面从电场屏蔽和磁场屏蔽两方面来简要地加以说明。

一、电场屏蔽

设有如图2(a)所示的一个金属导体。当它处在外电场E→\(_{外}\)中时,导体中的自由电子会受到外电场力作用而向左迁移,结果在导体的AC面上会出现过多的负电荷,在BD面上则出现过多的正电荷。这两面上的正、负感应电荷又在导体内产生一个附加的电场E→内(在图2(a)中用虚线表示),它的方向与原电场相反。随着两个端面上感应电荷逐渐增多,内电场E→\(_{内}\)也就不断加强,导体内的实际电场E→总就逐渐减小。直到E→\(_{内}\)和E→外相等的时候,导体内部的合电场强度E→\(_{总}\)处处为0,自由电子的定向迁移也就停止,导体达到了静电平衡状态。如果外电场发生变化,表面电荷将重新分布,使得导体内的总电场处处为0。利用这一特点,将金属导体内部挖空做成一个金属空腔(见图2(b)),在外电场作用下,导体很快进入静电平衡状态,导体内部包括空腔内电场均为零,这时虽然外部有电场变化,腔内却不受外电场的影响,也就是起到了屏蔽作用。

图2
图2 🔍原图 (695×315)

如果金属空腔内有带电体存在时,例如图3(a)所示情况,由于静电感应,在空腔内、外表面上分别有异性感应电荷产生,即在空腔的内、外部都有电场存在。这样,空腔内的带电体仍会影响腔外物体。为了消除这种影响,可以将金属空腔接地(见图3(b)),使空腔外表面上的感应电荷泄放入池。这样,带电体的电场就被限制在导体空腔内,内部电场的变化只会影响到导体内表面电荷的分布,而不会对外界产生影响。由此可见,一个接地的金属空腔就可以隔绝内外电场的互相影响,起到屏蔽电场的作用。在电子设备中,常用低电阻率的金属(铜或铝),制成罩、壳、网、屏等来作电场的屏蔽物。

图3
图3 🔍原图 (417×553)

二、磁场屏蔽

磁场屏蔽视磁场变化频率的不同而采用不同的方法。对于恒定磁场和低频磁场,一般利用铁磁材料制成外壳来进行屏蔽,而对于高频磁场,则利用涡流的作用来屏蔽。

铁磁材料由于磁导率高,磁阻小,磁力线将集中在铁磁材料中通过。如图4(a)所示,将一高导磁率的软磁材料做成罩壳放在外磁场中,则外界磁场的磁力线将沿着罩壳的壁内通过而极少进入空腔内部。同样,如在壳内有通电线圈产生磁场,则磁力线也被限制在磁壳内,很少穿出壳外(图4(b))。这样,一个铁磁材料的外壳就起到了防止内外部磁场互相影响的作用。因为磁性材料的磁导率和空气的磁导率相差仅几十到几千倍左右,仅差几个数量级,不象金属导体的电导率比空气大十几个数量级以上,所以磁屏蔽的效果远没有电屏蔽好。一般采用增加屏蔽罩厚度或多层屏蔽办法,以达到良好的磁屏蔽效果。

图4
图4 🔍原图 (477×661)
图5
图5 🔍原图 (369×383)

对于高频磁场,可以利用涡流现象起到屏蔽作用。如图5所示,设有一个用低电阻率金属材料制成的薄片,位于和外界高频磁场垂直的平面上,当外界高频交变磁场穿过导体时,在导体薄片内产生涡流。根据楞次定律,由涡流产生的反磁场是阻止外界磁场变化的,所以在P点附近区域内,外界磁场和涡流反磁场相互抵消,即不受外界磁场变化的影响。涡流的大小,与磁场的变化速率有关频率愈高,磁场变化愈快,涡流愈大,金属片对交变磁场的屏蔽作用也就愈好。由此可见,用良导体制成屏蔽罩、壳,把线圈封在其中,就可以防止外界高频磁场对罩内线圈的干扰,同时罩内线圈产生的高频磁场也不易穿透屏蔽罩。

根据上述分析,磁屏蔽的作用与屏蔽罩是否接地无关。当然,如果用良导体作屏蔽物,且又接地,则它同时具有对电场和高频磁场双方面的屏蔽作用。(肖剑英)