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)需要保護的區域中，原理都是利用屏蔽對外場(chǎng)的感應產(chǎn)生的效應來(lái)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)入需要保護的某個(gè)區域。靜電屏蔽依據的原理是：在外界靜電場(chǎng)的作用下導體表面電荷將重新分布，直到導體內部總場(chǎng)強處處為零為止。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和殼外兩個(gè)區域，金屬殼維持在零電位。根據靜電場(chǎng)的唯一性定理，可以證明：金屬殼內的電場(chǎng)僅由殼內的帶電體和殼的電位所確定，與殼外的電荷分布無(wú)關(guān)。當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，以保證殼內電場(chǎng)分布不變。因此，金屬殼對內部區域具有屏蔽作用。殼外的電場(chǎng)僅由殼外的帶電體和金屬殼的電位以及無(wú)限遠處的電位所確定，與殼內電荷分布無(wú)關(guān)。當殼內電荷分布改變時(shí)，殼層內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，接地的金屬殼對外部區域也具有屏蔽作用。在靜電屏蔽中，金屬殼接地是十分重要的。當殼內或殼外區域中的電荷分布變化時(shí)，通過(guò)接地線(xiàn)，電荷在殼層外表面和大地之間重新分布，以保證殼層電勢恒定。從物理圖像上看，因為在靜電平衡時(shí)，金屬內部不存在電場(chǎng)，殼內外的電場(chǎng)線(xiàn)被金屬隔斷，彼此無(wú)聯(lián)系，因此，導體殼有隔離殼內外靜電相互作用的效應。

如果金屬殼未完全封閉，殼上開(kāi)有孔或縫，也同樣具有靜電屏蔽作用。在許多實(shí)際應用中，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(xiàn)，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，電荷在導體上的重新分布，在10-19秒數量級時(shí)間內就可完成，因此對低頻變化的電場(chǎng)，導體上的電荷有足夠長(cháng)的時(shí)間來(lái)保證內部場(chǎng)強為零.所以靜電屏蔽裝置對緩慢變化的電場(chǎng)也有屏蔽作用。為了提高對變化電場(chǎng)的屏蔽效果，屏蔽物的電導率應大，接地線(xiàn)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，人體內的場(chǎng)強保持為零，因此沒(méi)有電流從人體中流過(guò)，人體是安全的。不過(guò)在作業(yè)者剛剛接觸高壓線(xiàn)的一瞬間高壓服上的電荷有一個(gè)瞬時(shí)分布的過(guò)程，在這極小的時(shí)間內人體會(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。靜電屏蔽的特點(diǎn)是一般只考慮到對靜電場(chǎng)的屏蔽，封閉導體的屏蔽作用是完全的(即內部場(chǎng)強可達到真正等于零)，對屏壁殼的厚度和電導率也無(wú)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)需要保護的區域，這時(shí)必須用磁性介質(zhì)做外殼。靜磁屏蔽依據的原理可借助并聯(lián)磁路的概念來(lái)說(shuō)明。把一高磁導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。由于空氣的磁導率接近于1，而鐵殼的磁導率至少有幾千，所以空腔的磁阻比鐵殼壁的磁阻大的多。這樣一來(lái)，外磁場(chǎng)的磁感應通量中絕大部分將沿著(zhù)鐵殼壁內“通過(guò)”，“進(jìn)入”空腔內部的磁通量是很少的，這就達到了磁屏蔽的目的。

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

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

手表為了防磁，在機芯外裝一個(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(chē)車(chē)廂里，打開(kāi)半導體收音機，幾乎收不到電臺的廣播，這是由于車(chē)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)區域。由于電磁場(chǎng)的變化頻率很高(例如百萬(wàn)赫茲或更高)，場(chǎng)中導體上的感應電荷已不能再看作靜止的了(導體不再處于靜電平衡狀態(tài))，因此必須用電磁波在導體中的“貫穿深度”來(lái)說(shuō)明屏蔽的原理：當高頻電磁波射向一導體表面，并進(jìn)入表面后，它會(huì )在導體中感應出一個(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)的電磁波在導體內部與入射的電磁波相位相反、同時(shí)導體內電流的產(chǎn)生還導致入射波場(chǎng)能的消耗，結果使得導體內部總的電磁場(chǎng)基本上隨深度呈指數衰減，可以用“貫穿深度”來(lái)表示衰減的程度。“貫穿深度”與入射電磁波的頻率、導體的電導率及磁導率都有關(guān)系：頻率越高、電導率越大、磁導率越大“貫穿深度”就越小。當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。高電導率或高磁導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率或磁導率，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，因為它的磁導率很高，故屏蔽效果特別好。如在收音機中，用空芯鋁殼罩在線(xiàn)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(xiàn)用屏蔽線(xiàn)也是這個(gè)道理。示波管用鐵皮包著(zhù)，也是為了使雜散電磁場(chǎng)不影響電子射線(xiàn)的掃描。在金屬屏蔽殼內部的元件或設備所產(chǎn)生的高頻電磁波也透不出金屬殼而不致影響外部設備。

高電導率材料制成的屏蔽物對低頻磁場(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)際應用中，常采用靜磁屏蔽措施來(lái)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(kāi)縫，因為電磁屏蔽還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。

遠近場(chǎng)的劃分

根據兩類(lèi)基本源的場(chǎng)隨1/r(場(chǎng)點(diǎn)至源點(diǎn)的距離)的變化來(lái)劃分遠近場(chǎng)，兩類(lèi)源在遠近場(chǎng)的場(chǎng)特征及傳播特性均有所不同。故遠近場(chǎng)的劃分滿(mǎn)足以下原則：

近場(chǎng)：

遠場(chǎng)：

電磁屏蔽材料：

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

電場(chǎng)屏蔽

【屏蔽機理】：將電場(chǎng)感應看成分布電容間的耦合。

【設計要點(diǎn)】：

a、屏蔽板以靠近受保護物為好，而且屏蔽板的接地必須良好!!!

b、屏蔽板的形狀對屏蔽效能的高低有明顯影響。全封閉的金屬盒最好，但工程中很難做到!

c、屏蔽板的材料以良導體為好，但對厚度無(wú)要求，只要有足夠的強度就可了。

有通風(fēng)需求的屏蔽板

鋁制蜂窩式通風(fēng)板

磁場(chǎng)屏蔽

磁場(chǎng)屏蔽通常是指對直流或低頻磁場(chǎng)的屏蔽，其效果比電場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽要差的多。

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