手机等演示静电屏蔽现象 - 不能用收音机、手机等演示静电屏蔽现象

手机等演示静电屏蔽现象 - 不能用收音机、手机等演示静电屏蔽现象 不能用收音机、手机等演示静电屏蔽现象 熊小兰 黄春如 (江西省樟树市第三中学， 江西 樟树 331200) 在静电屏蔽一节的教学中，有的教师用日常生活中取材容易的收音机、手 [1]机等器材来进行演示实验，据此引出概念得出结论，对于其结果的可靠性笔者有不同的看法。为了探究这方面问题的真相，我们采用相关器材在家中的客厅中逐一进行了实验，这与在教室中进行演示实验环境相似。 实验器材:?、普通中波收音机，?、手机，?电视机遥控器; ?、广东某厂生产的25?新星牌高级不锈钢锅，?、苏泊尔高压锅，?、电饭煲蒸层及锅盖，?、口径不同的不锈钢金属脸盆，?、口径不同的网状金属淘米筛。 实验1:?、把收音机调到中波中央一套节目，且声音适当。然后再把其 、5、6、7、8器材中(不加盖)，对比收音机前后声音的变化。分别放入上述4 结论:声音变化无明显感觉; ?、依次对4、5、6 加盖，7用小口径不锈钢锅反扣于大口径钢锅，并对比前后声音的变化。结论:仍能听到节目声，但声音变小，澡音增大; ?、编号8的器材中把小口径的淘米筛反扣于大口径淘米筛，对比收音机前后声音的变化。结论:声音无明显变化。 实验2:把收音机调向较低频段，打开收音机调整其处于无电台信号处。在收音机附近按压遥控器，此时能听到收音机中发出的“嘟嘟”声。这是收音机接收到了遥控器发出的红外信号的缘故。按照“一”中步骤，使收音机接收遥控器发出的红外信号，除声音大小有变化外，都能听到清晰的声音。 实验3:用二部能正常接打的手机，一部发出信号一部接收信号，实验区域手机信号满格。把接收信号的手机按照“一”中步骤依次放入上术编号的器材中接收信号，不管容器加盖以否，都能接收到信号。 上述结果是否说明静电屏蔽结论不正确呢,若不是那问题出在哪里～ 对照静电场中的导体及导体静电平衡的条件与静电屏蔽的定义，就不难找出原由。 按照电磁学理论来划分，屏蔽一般分为静电屏蔽、静磁屏蔽和电磁屏蔽3种情况,这3种情况既具有质的区别,又具有内在的联系,不能混淆。 [2] 1、静电屏蔽:在静电平衡状态下，导体腔内无其它带电的导体壳和实心导体一样，内部没有电场。只要达到了静电平衡状态，不管导体壳本身带电或是导体处于外界电场中，这一结论总是对的。这样，导体壳的面就“保护”了它所包围的区域，使之不受导体壳外表面上的电荷或外界电场的影响，这个 现象称为静电屏蔽。 静电屏蔽的实际意义为:屏蔽使金属导体壳内的仪器或工作环境不受外部电场影响,也不对外部电场产生影响。有些电子器件或测量设备为了免除干扰,都要实行静电屏蔽,如室内高压设备罩上接地的金属罩或较密的金属网罩,电子管用金属管壳封装。又如作全波整流或桥式整流的电源变压器,在初级绕组和次级绕组之间包上金属薄片或绕上一层漆包线并使之接地,达到屏蔽作用。在高压带电作业中,工人穿上用金属丝或导电纤维织成的均压服,可以对人体起屏蔽保护作用。 [3] 2、静磁屏蔽:静磁场是稳恒电流或永久磁体产生的磁场。静磁屏蔽是利用高磁导率μ的铁磁材料做成屏蔽罩把一部分空间屏蔽起来，免受外界磁场的干扰。 静磁屏蔽的原理可以借助并联磁路的概念来说明。将一个铁壳放在外磁场中，则铁壳的壁与空腔中的空气可以看成是并联的磁路，由于空气的磁导率μ接近于1，而铁壳的磁导率至少有几千,所以空腔的磁阻比铁壳壁的磁阻大得多。这样一来，外磁场的磁感应通量中绝大部份将沿着空腔两侧的铁壳壁内“通过”，“进入”空腔内部的磁通量是很少的。这就可以达到静磁屏蔽的目的。 应当指出的是，用铁壳做的静磁屏蔽没有用金属导体壳做的静电屏蔽的效果那样好，这是因为金属导体的电导率一般要比空气的电导率大十几个数量级，而铁与空气的磁导率差别远没有那样大。为了达到更好的磁屏蔽效果，可以采用多层铁壳的办法，把漏进空腔里的残余磁通量一次次地屏蔽掉。 3、电磁屏蔽:电磁屏蔽是抑制干扰,增强设备的可靠性及提高产品质量的有效手段。合理地使用电磁屏蔽，可以抑制外来高频电磁波的干扰，也可以避免作为干扰源去影响其他设备。 当电磁场的变化频率很高(例如百万赫兹或更高)时，场中导体上的感应电荷已不能再看成静止的(导体不再处于静电平衡状态)，因此必须用电磁波在导体中的 “透入深度”说明屏蔽的原理:当高频电磁波射向一导体表面时，一部分会被反射，一部分会在导体中感应出一个高频交变电流，此电流会激发出一个新的电磁波，此电磁波在导体内部与入射电磁波的相位相反，同时导体内电流的产生还导致入射波能量的消耗，结果使得导体内部总的入射电磁场能量基本上随深度呈指数衰减。导体表面场的能量越大，透入导体越深;表面场能越小，透入导体越浅。电磁波在良导体中衰减很快，把导体的电磁波能量衰减到表面值的1/e(约36.8%)处的厚度称为趋肤厚度，又称“透入深度”，用δ表示。 2δ= ,,, 7μ和σ分别为屏蔽材料的磁导率和电导率。对铜来说，σ?5×10西/米，其中 若电磁波的频率为50Hz时，可求出δ?0.9厘米;当频率为100MHz时，δ? -30.7×10厘米。由此可见，透入深度与入射电磁波的频率、电导率和磁导率都 ?有关系。 综上所述,导电的金属能对电磁波产生反射，吸收，和抵消等作用。从而起到减少电磁波辐射的作用。 (1)当干扰电磁场的频率较高时，利用低电阻率的金属材料中产生的涡流，形成对外来电磁波的抵消作用，从而达到屏蔽的效果。 (2)当干扰电磁波的频率较低时，要采用高导磁率的材料，从而使磁感线限制在屏蔽体内部，防止扩散到屏蔽的空间去。 (3)在某些场合下，如果对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果 时，往往采用不同的金属材料组成多层屏蔽体。 收音机、手机、电视机遥控器都是利用电磁波发射、接收原理进行工作的，只不过工作频率的范围不同，收音机中波的载波频率为525-1605KHz;手机的载波频率为900-1800MHz;遥控器使用频率为38 KHz。因此，利用上述器材来演示中学教科书中的静电屏蔽现象，已不是单纯的静电屏蔽，而是电磁波的屏蔽问题。借助电磁波的屏蔽概括得出静电屏蔽的结论，是不严谨的。一是讨论的问题和演示的内容不属同一概念;二是即使模糊它们间的差异，但由于电磁波屏蔽依赖的因素众多，在甲地选用某种金属器材进行演示实验得到了想要的结论，在乙地由于信号的强弱和所选金属器材的不同，有可能得不到甲地的结果，甚至出现相反的结论。对于不同结果的解释，由于学生知识的局限，教师一时想说也说不清楚。这样既加重了学生的学习负担又容易引起学生知识学习上的混乱。因此笔者建议不用收音机、手机等演示静电屏蔽现象。要用也只能作为课堂教学的延伸介绍给学生，供有兴趣的学生作为课外探究性实验的内容，可能收效更佳。 参考文献: 1 吴亚梅.精彩来自未曾预设的生成.物理教师,2009(3):40. 2 赵凯华、陈熙谋.电磁学(上、下册).北京: 高等教育出版社,1984.96?112,144?155 3 郭硕鸿.电动力学.北京:高等教育出版社,1979. 119?140 (发表在《物理教师》2009年第9期)