Thursday, June 29, 2017

法拉第笼

法拉第笼(Faraday Cage)是一个由金属或者良导体形成的笼子。是以电磁学的奠基人、英国物理学家迈克尔·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。

法拉第笼的演示设备由笼体、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,内部电势为零,电场为零,电荷分布在接近放电杆的外表面上。

法拉第笼作用原理:表演时先请几位观众进入笼体后关闭笼门,操作员接通电源,用放电杆进行放电演示。这时即使笼内人员将手贴在笼壁上,使放电杆向手指放电,笼内人员不仅不会触电,而且还可以体验电子风的清凉感觉。这是因为人体触电的原因是身体的不同部位存在电位差,强电流通过身体,此时手指虽然接近放电火花,但放电电流是通过手指前方的金属网传入大地,身体并不存在电位差,没有电流通过,所以没有触电的感觉。

由于金属的静电等势性,可以有效的屏蔽外电场的干扰。法拉第笼无论被加上多高的电压内部也不存在电场。而且由于金属的导电性,即使笼子通过很大的电流,内部的物体通过的电流也微乎其微。在面对电磁波时,可以有效的阻止电磁波的进入。

高压带电作业操作员的防护服就是用金属丝制成,接触高压线时形成等电位,人体不通过电流,起到保护作用。外壳接地的法拉第笼可以有效地隔绝笼体内外的电场和电磁波干扰,这叫做“静电屏蔽”。许多仪器设备采用接地的金属外壳可有效地避免壳体内外电场的干扰。

在静电平衡状态下,不论是空心导体还是实心导体;不论导体本身带电多少,或者导体是否处于外电场中,必定为等势体,其内部场强为零,这是静电屏蔽的理论基础。

由于法拉第笼的静电屏蔽原理,在汽车中的人是不会被雷击中的。同样,也是因为法拉第笼的原理,有金属外皮的同轴电缆也可以不受干扰地传播讯号。如果电梯内没有中继器的话。那么当电梯关上的时候,里面任何电子讯号也收不到。

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。换句话说,人类不可能完全避免电磁辐射。

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