法拉第籠原理

關注：158 發布時間：2021-11-19 21:05:43

“法拉第籠”是以電磁學創始人、英國著名物理學家邁克爾法拉第命名的一種設備，用于演示等電位、靜電屏蔽、高壓帶電作業原理。這個設備源于法拉第著名的實驗——法拉第籠，有被電擊的危險。法拉第把自己鎖在一個金屬籠子里。當籠子外面發生強烈的靜電放電時，什么也沒發生。

法拉第籠是由金屬或良導體制成的籠，由籠體、高壓電源、電壓顯示和控制部分組成。籠體與地面相連。高壓電源通過限流電阻向放電棒提供100，000伏dc高壓。當放電棒距離籠體10厘米時，出現放電火花。根據接地導體的靜電平衡條件，籠體為平行體，內部電位差為零，電場為零，電荷分布在靠近放電棒的外表面。

法拉第籠的原理是基于靜電屏蔽。它的原理是，如果將導體置于電場強度為e的外電場中，導體中的自由電子在電場力的作用下會逆著電場運動。這樣，導體的負電荷分布在一側，正電荷分布在另一側。由于導體中電荷的重新分布，這些電荷形成另一個與外電場方向相反的電場，電場強度在e以內。

根據場強疊加原理，導體內的電場強度等于外e和內e的疊加，相等和相反的電場疊加相互抵消，使導體內的總電場強度為零。當導體中的總電場強度為零時，導體中的自由電子不再定向運動。在物理學中，導體中沒有電荷運動的狀態稱為靜電平衡。導體處于靜平衡時，內部電場強度處處為零。

由此可以推斷，在靜電平衡狀態下，電荷只分布在導體的外表面。如果這個導體是空心的，當它達到靜電平衡時，內部就沒有電場了。這樣，導體的外殼會在其內部起到“保護”作用，使其內部不受外部電場的影響。這種現象叫做靜電屏蔽。

當然，法拉第籠的演示也表明，接地的法拉第籠可以有效隔離籠內外的電磁干擾，從而起到靜電屏蔽的作用。

基于法拉第籠和靜電屏蔽的原理，人們用金屬絲為高壓帶電操作人員制作了防護服。金屬導體外殼內的儀器由金屬外殼屏蔽，不受工作環境中外部電場的影響。常用的屏蔽電纜就是基于這個原理。對了，我們的車是法拉第籠。因為車殼是大金屬殼，形成等位體。司機在雷雨天氣開車時，車內的人不用擔心被雷擊。

需要注意的是，即使生活在法拉第籠中也不能完全避免電磁輻射。法拉第籠屏蔽不了靜電和低速磁場，比如地磁。在法拉第籠中，指南針仍然可以工作，人類無法完全避免電磁輻射。

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