【科普】三種電磁屏蔽的目的及原理詳解

　　電磁屏蔽一般可分為三種：靜電屏蔽、靜磁屏蔽和高頻電磁場(chǎng)屏蔽。三種屏蔽的目的都是防止外界的電磁場(chǎng)進(jìn)入到某個(gè)需要保護(hù)的區(qū)域中，原理都是利用屏蔽對(duì)外場(chǎng)的感應(yīng)產(chǎn)生的效應(yīng)來抵消外場(chǎng)的影響。但是由于所要屏蔽的場(chǎng)的特性不同，因而對(duì)屏蔽殼材料的要求和屏蔽效果也就不相同。

　　一、 靜電屏蔽

　　靜電屏蔽的目的是防止外界的靜電場(chǎng)進(jìn)入需要保護(hù)的某個(gè)區(qū)域。靜電屏蔽依據(jù)的原理是：在外界靜電場(chǎng)的作用下導(dǎo)體表面電荷將重新分布，直到導(dǎo)體內(nèi)部總場(chǎng)強(qiáng)處處為零為止。接地的封閉金屬殼是一種良好的靜電屏蔽裝置。如圖所示，接地的封閉金屬殼把空間分割成殼內(nèi)和殼外兩個(gè)區(qū)域，金屬殼維持在零電位。根據(jù)靜電場(chǎng)的唯一性定理，可以證明：金屬殼內(nèi)的電場(chǎng)僅由殼內(nèi)的帶電體和殼的電位所確定，與殼外的電荷分布無關(guān)。當(dāng)殼外電荷分布變化時(shí)，殼層外表面上的電荷分布隨之變化，以保證殼內(nèi)電場(chǎng)分布不變。因此，金屬殼對(duì)內(nèi)部區(qū)域具有屏蔽作用。殼外的電場(chǎng)僅由殼外的帶電體和金屬殼的電位以及無限遠(yuǎn)處的電位所確定，與殼內(nèi)電荷分布無關(guān)。當(dāng)殼內(nèi)電荷分布改變時(shí)，殼層內(nèi)表面的電荷分布隨之變化，以保證殼外電場(chǎng)分布不變。因此，接地的金屬殼對(duì)外部區(qū)域也具有屏蔽作用。在靜電屏蔽中，金屬殼接地是十分重要的。當(dāng)殼內(nèi)或殼外區(qū)域中的電荷分布變化時(shí)，通過接地線，電荷在殼層外表面和大地之間重新分布，以保證殼層電勢(shì)恒定。從物理圖像上看，因?yàn)樵陟o電平衡時(shí)，金屬內(nèi)部不存在電場(chǎng)，殼內(nèi)外的電場(chǎng)線被金屬隔斷，彼此無聯(lián)系，因此，導(dǎo)體殼有隔離殼內(nèi)外靜電相互作用的效應(yīng)。

　　如果金屬殼未完全封閉，殼上開有孔或縫，也同樣具有靜電屏蔽作用。在許多實(shí)際應(yīng)用中，靜電屏蔽裝置常常是用金屬絲編織成的金屬網(wǎng)代替閉合的金屬殼，即使一塊金屬板，一根金屬線，亦有一定的靜電屏蔽作用，只是屏蔽的效果不如金屬殼。

　　在外電場(chǎng)的作用下，電荷在導(dǎo)體上的重新分布，在10-19秒數(shù)量級(jí)時(shí)間內(nèi)就可完成，因此對(duì)低頻變化的電場(chǎng)，導(dǎo)體上的電荷有足夠長(zhǎng)的時(shí)間來保證內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為零．所以靜電屏蔽裝置對(duì)緩慢變化的電場(chǎng)也有屏蔽作用。為了提高對(duì)變化電場(chǎng)的屏蔽效果，屏蔽物的電導(dǎo)率應(yīng)大，接地線要短，與地的接觸要良好。

　　身穿高壓作業(yè)服的人，由于被銅絲編織的衣服所包裹，人體內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)保持為零，因此沒有電流從人體中流過，人體是安全的。不過在作業(yè)者剛剛接觸高壓線的一瞬間高壓服上的電荷有一個(gè)瞬時(shí)分布的過程，在這極小的時(shí)間內(nèi)人體會(huì)有短暫的微弱電場(chǎng)作用，一般作業(yè)者都能經(jīng)受住這考驗(yàn)。靜電屏蔽的特點(diǎn)是一般只考慮到對(duì)靜電場(chǎng)的屏蔽，封閉導(dǎo)體的屏蔽作用是完全的（即內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)到真正等于零），對(duì)屏壁殼的厚度和電導(dǎo)率也無要求。只有在把低頻交流電場(chǎng)的屏蔽包括在靜電屏蔽中時(shí)，總是希望屏蔽殼的電導(dǎo)率愈高愈好。

　　二、靜磁屏蔽

　　靜磁屏蔽的目的是防止外界的靜磁場(chǎng)和低頻電流的磁場(chǎng)進(jìn)入到某個(gè)需要保護(hù)的區(qū)域，這時(shí)必須用磁性介質(zhì)做外殼。靜磁屏蔽依據(jù)的原理可借助并聯(lián)磁路的概念來說明。把一高磁導(dǎo)率的材料制成的球殼放在外磁場(chǎng)中，則鐵殼壁與空腔中的空氣可以看成是并聯(lián)的磁路。由于空氣的磁導(dǎo)率接近于1，而鐵殼的磁導(dǎo)率至少有幾千，所以空腔的磁阻比鐵殼壁的磁阻大的多。這樣一來，外磁場(chǎng)的磁感應(yīng)通量中絕大部分將沿著鐵殼壁內(nèi)“通過”，“進(jìn)入”空腔內(nèi)部的磁通量是很少的，這就達(dá)到了磁屏蔽的目的。

　　外殼的厚度和磁導(dǎo)率對(duì)屏蔽效果有很明顯的影響：外殼越厚、磁導(dǎo)率越高，屏蔽的效果就越好。因此，在重量和體積受到限制的情況下，常常采用磁導(dǎo)率高達(dá)幾萬的坡莫合金來做屏蔽殼，而且殼的各個(gè)部分要盡量結(jié)合緊密，使磁路暢通。

　　如果要制造絕對(duì)的“靜磁真空”，則可以利用超導(dǎo)體的“邁斯納效應(yīng)”。即將一塊超導(dǎo)體放在外磁場(chǎng)中，其體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度永遠(yuǎn)為零。超導(dǎo)體是完全抗磁體，具有最理想的靜磁屏蔽效果，但目前還不能普遍應(yīng)用。

　　手表為了防磁，在機(jī)芯外裝一個(gè)鐵質(zhì)的襯套 也是一種屏蔽作用。

　　三、高頻電磁場(chǎng)屏蔽

　　在火車車廂里，打開半導(dǎo)體收音機(jī)，幾乎收不到電臺(tái)的廣播，這是由于車廂的蒙皮大部分是由鐵皮制成，它起了屏蔽作用。

　　高頻電磁場(chǎng)屏蔽是防止外界的高頻電磁場(chǎng)進(jìn)入到某個(gè)區(qū)域。由于電磁場(chǎng)的變化頻率很高（例如百萬赫茲或更高），場(chǎng)中導(dǎo)體上的感應(yīng)電荷已不能再看作靜止的了（導(dǎo)體不再處于靜電平衡狀態(tài)），因此必須用電磁波在導(dǎo)體中的“貫穿深度”來說明屏蔽的原理：當(dāng)高頻電磁波射向一導(dǎo)體表面，并進(jìn)入表面后，它會(huì)在導(dǎo)體中感應(yīng)出一個(gè)高頻交變電流，此電流會(huì)激發(fā)一個(gè)新的電磁波，新激發(fā)的電磁波在導(dǎo)體內(nèi)部與入射的電磁波相位相反、同時(shí)導(dǎo)體內(nèi)電流的產(chǎn)生還導(dǎo)致入射波場(chǎng)能的消耗，結(jié)果使得導(dǎo)體內(nèi)部總的電磁場(chǎng)基本上隨深度呈指數(shù)衰減，可以用“貫穿深度”來表示衰減的程度?！柏灤┥疃取迸c入射電磁波的頻率、導(dǎo)體的電導(dǎo)率及磁導(dǎo)率都有關(guān)系：頻率越高、電導(dǎo)率越大、磁導(dǎo)率越大“貫穿深度”就越小。當(dāng)殼罩壁的厚度大于貫穿深度時(shí)，殼罩就具有良好的電磁屏蔽作用。高電導(dǎo)率或高磁導(dǎo)率材料制成的殼罩是一種良好的電磁屏蔽裝置。提高殼罩材料的電導(dǎo)率或磁導(dǎo)率，增加殼壁的厚度，可以提高電磁屏蔽的效果。

　　像鋁、鋼、鐵這樣的金屬，1兆赫左右的電磁波在其中的“透入深度”約百分之幾毫米，所以這些金屬只要一張紙那么厚就基本可以屏蔽I兆赫的電磁波。尤其是鐵，因?yàn)樗拇艑?dǎo)率很高，故屏蔽效果特別好。如在收音機(jī)中，用空芯鋁殼罩在線圈外面，使它不受外界電磁場(chǎng)的干擾從而避免雜音。音頻饋線用屏蔽線也是這個(gè)道理。示波管用鐵皮包著，也是為了使雜散電磁場(chǎng)不影響電子射線的掃描。在金屬屏蔽殼內(nèi)部的元件或設(shè)備所產(chǎn)生的高頻電磁波也透不出金屬殼而不致影響外部設(shè)備。

　　高電導(dǎo)率材料制成的屏蔽物對(duì)低頻磁場(chǎng)的屏蔽效果比較差。例如，在工頻50赫時(shí)，銅的貫穿深度約為9.4毫米，薄壁銅殼的屏蔽作用很小。在實(shí)際應(yīng)用中，常采用靜磁屏蔽措施來屏蔽低頻磁場(chǎng)。電磁屏蔽物接地后也可以屏蔽靜電干擾。電磁屏蔽物上不能隨意開縫，因?yàn)殡姶牌帘芜€利用了渦電流的作用，若縫隙割斷了渦電流的通路，屏蔽效果要降低。

　　遠(yuǎn)近場(chǎng)的劃分

　　根據(jù)兩類基本源的場(chǎng)隨1/r（場(chǎng)點(diǎn)至源點(diǎn)的距離）的變化來劃分遠(yuǎn)近場(chǎng)，兩類源在遠(yuǎn)近場(chǎng)的場(chǎng)特征及傳播特性均有所不同。故遠(yuǎn)近場(chǎng)的劃分滿足以下原則：

　　近場(chǎng)： 遠(yuǎn)場(chǎng)：

　　電磁屏蔽材料：

　　選擇使用什么種類電磁密封襯墊時(shí)要考慮四個(gè)因素：屏蔽效能要求、有無環(huán)境密封要求、安裝結(jié)構(gòu)要求、成本要求。按機(jī)理可分為電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽。