“鳥籠”演示靜電屏蔽實(shí)驗(yàn)報(bào)告

　　實(shí)驗(yàn)背景：

　　法拉第曾經(jīng)冒著被電擊的危險(xiǎn)，做了一個(gè)聞名于世的實(shí)驗(yàn)——法拉第籠實(shí)驗(yàn)。法拉第把自己關(guān)在金屬籠內(nèi)，當(dāng)籠外發(fā)生強(qiáng)大的靜電放電時(shí)，他并未受到任何影響。在使用大的法拉第籠時(shí)，金屬籠上接高壓電，外部接地導(dǎo)體接觸籠壁時(shí)可以觀察到電火花，而籠內(nèi)的人沒有感覺；用小型法拉第籠（鳥籠）實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以觀察到通電鳥籠外部的紙條飄起，而內(nèi)部的紙條并沒有明顯變化。

　　實(shí)驗(yàn)原理：

　　本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用了靜電屏蔽原理：導(dǎo)體的`外殼對(duì)它的內(nèi)部起到“保護(hù)”作用，使它的內(nèi)部不受外部電場的影響。

　　因?yàn)樵陔妶鲋校�電子�?huì)因電場力而運(yùn)動(dòng)。而在靜電平衡狀態(tài)中的導(dǎo)體內(nèi)部電場處處為0。由此可知處于靜電平衡的導(dǎo)體，其凈電荷只能分布在導(dǎo)體外表面。這樣，導(dǎo)體外表面對(duì)其內(nèi)部起到保護(hù)作用，使其不受電場影響。因此，在大型法拉第籠通電時(shí)，電荷分布在籠子的外表面，用接地導(dǎo)體觸碰時(shí)可以看到電火花，而內(nèi)部的人沒有感到電流存在；小籠的外部布滿電荷，紙條因帶電而飄起，內(nèi)部的紙條卻沒有此現(xiàn)象。

　　實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

　　1、電工穿的均壓服，就是在衣服中編織入金屬絲，將人和衣服看成同一物體，則金屬絲就相當(dāng)于導(dǎo)體的外殼，在工人進(jìn)行高壓帶電作業(yè)時(shí)，對(duì)人體起到保護(hù)作用。

　　2、有些電子儀器的工作條件要求非常高，要杜絕外部電場影響，就可以將其放入法拉第籠中對(duì)其進(jìn)行電場屏蔽，消除外部電場對(duì)其影響。

　　3、在一些高磁場、高電場環(huán)境中工作的人，為了保證身體健康，可以穿編入金屬絲的衣服，以減輕環(huán)境中的電磁場對(duì)身體影響。

法拉第籠實(shí)驗(yàn)報(bào)告3

　　法拉第籠構(gòu)造及原理

　　法拉第籠是一個(gè)由金屬或者良導(dǎo)體形成的籠子，是以電磁學(xué)的奠基人、英國物理學(xué)家邁克爾·法拉第的姓氏命名的一種用于演示等電勢、靜電屏蔽和高壓帶電作業(yè)原理的設(shè)備。它是由籠體、高壓電源、電壓顯示器和控制部分組成。其籠體與大地連通，高壓電源通過限流電阻將直流高壓輸送給放電桿，當(dāng)放電桿尖端距籠體較近時(shí)，出現(xiàn)放電火花，根據(jù)接地導(dǎo)體靜電平衡的條件，籠體是一個(gè)等位體，內(nèi)部電勢為零，電場為零，電荷分布在接近放電桿的外表面上。

　　導(dǎo)體的外殼對(duì)它的內(nèi)部起到“保護(hù)”作用，使它的內(nèi)部不受外部電場的影響，這種現(xiàn)象稱為靜電屏蔽。如果將導(dǎo)體放在電場強(qiáng)度為E外的外電場中，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子在電場力的作用下，會(huì)逆電場方向運(yùn)動(dòng)。這樣，導(dǎo)體的負(fù)電荷分布在一邊，正電荷分布在另一邊，這就是靜電感應(yīng)現(xiàn)象。由于導(dǎo)體內(nèi)電荷的重新分布，這些電荷在與外電場相反的方向形成另一電場，電場強(qiáng)度為E內(nèi)。根據(jù)場強(qiáng)疊加原理，導(dǎo)體內(nèi)的電場強(qiáng)度等于E外和E內(nèi)的疊加。當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)部總電場強(qiáng)度為零時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子不再移動(dòng)。物理學(xué)中將導(dǎo)體中沒有電荷移動(dòng)的狀態(tài)叫做靜電平衡。處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，內(nèi)部電場強(qiáng)度處處為零。由此可推知，處于靜電平衡狀態(tài)的導(dǎo)體，電荷只分布在導(dǎo)體的外表面上。而法拉第籠就是根據(jù)這個(gè)原理制成的。

　　法拉第籠原理的應(yīng)用

　　高壓帶電操作員的防護(hù)服是用金屬絲制成的，當(dāng)接觸高壓線時(shí)，形成了等電位，使得作業(yè)人員的身體沒有電流通過，起到了很好的保護(hù)作用。

　　要想讓一個(gè)教室、一個(gè)考場在電子通信的角度上“與世隔絕”，是可以做到的，目前各種通信工具都是用電磁波或者說無線電波來傳遞信號(hào)，我們只要像法拉第籠子一樣給教室電磁屏蔽就可以達(dá)到目標(biāo)，目前大型考試中，教室里都已經(jīng)安裝了屏蔽系統(tǒng)，防止考生利用電子產(chǎn)品作弊現(xiàn)象的發(fā)生。

　　高層建筑很容易被雷擊，對(duì)人體產(chǎn)生較大危害，而利用法拉第籠的原理制成的籠式避雷網(wǎng)可以有效地較少雷擊對(duì)人體造成的危害。比如國家體育場“鳥巢”，其主體鋼結(jié)構(gòu)中的鋼構(gòu)件以及鋼筋混凝土中的鋼筋，通過焊接方式進(jìn)行有效連接，這樣“鳥巢”自身就形成了一個(gè)巨大的避雷網(wǎng)，而“鳥巢”的鋼結(jié)構(gòu)就成為了一個(gè)巨大的接收閃電的裝置，能把閃電迅速導(dǎo)入地下，從而保障了場內(nèi)觀眾的安全。

法拉第籠實(shí)驗(yàn)報(bào)告4

　　大型法拉第籠

　　【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹苛私饨拥亟饘贇れo電感應(yīng)是的電荷分布及電位特點(diǎn)；認(rèn)識(shí)經(jīng)典屏蔽的原理

　　【操作方法】

　　參與實(shí)驗(yàn)者進(jìn)入法拉第籠，關(guān)好籠門；

　　打開高壓電源，將高壓探棒靠近法拉第籠；

　　調(diào)節(jié)電位器，逐漸調(diào)高電壓到探棒與籠身發(fā)生放電，打出電弧，觀察此時(shí)的電壓；

　　實(shí)驗(yàn)者在籠內(nèi)將手放在打出電弧的位置，不會(huì)有觸電的感覺；

　　調(diào)低電壓后關(guān)閉電源，用探棒對(duì)法拉第籠充分放電；

　　打開籠門，實(shí)驗(yàn)者走出法拉第籠。

　　【注意事項(xiàng)】

　　實(shí)驗(yàn)進(jìn)行期間，實(shí)驗(yàn)者不可打開籠門，觀眾不可擅自靠近法拉第籠和高壓探棒；

　　務(wù)必在關(guān)閉電源后，用探棒對(duì)法拉第籠充分放電，實(shí)驗(yàn)者方可打開法拉第籠門。

　　【實(shí)驗(yàn)原理】

　　籠體與大地相連，高壓電源通過限流電阻將上萬伏直流電壓輸送給探棒，當(dāng)高壓棒尖端靠近籠體時(shí)，法拉第籠發(fā)生靜電感應(yīng)。根據(jù)導(dǎo)體靜電平衡條件，感應(yīng)電荷分布在籠的外表面，靠近電壓棒處電荷密度大，周圍電場強(qiáng)，籠的外表面與高壓棒之間放電。根據(jù)接地導(dǎo)體靜電平衡的條件，籠體是一個(gè)等位體，內(nèi)部電位為零，電場為零，電荷分布在接近放電桿的外表面上。法拉第籠無論被加上多高的電壓內(nèi)部也不存在電場。而且由于金屬的導(dǎo)電性，即使籠子通過很大的電流，內(nèi)部的物體通過的電流也微乎其微。在面對(duì)電磁波時(shí)，可以有效的阻止電磁波的進(jìn)入。

　　法拉第籠是一個(gè)理想環(huán)境，是建立在空間的一個(gè)大屏蔽網(wǎng)絡(luò)。將其接地后，第一，它可以屏蔽雷電產(chǎn)生的電磁脈沖，防止里面的弱電設(shè)備和人員遭受損傷；第二，它可以把強(qiáng)大的感應(yīng)電荷泄入大地。

　　【原理應(yīng)用】

　　高壓作業(yè)人員帶電工作時(shí)，可通過穿著用金屬絲制成的防護(hù)服。當(dāng)接觸高壓線時(shí)，形成了等電位，使得作業(yè)人員的身體沒有電流通過，起到了很好的保護(hù)作用。

　　汽車就是一個(gè)法拉第籠，由于汽車外殼是個(gè)大金屬殼，形成了一個(gè)等位體，當(dāng)駕駛員在雷雨天行駛時(shí)，車?yán)锏娜瞬挥脫?dān)心遭到雷擊。

　　將精密儀器設(shè)備的金屬外殼接地，有效地避免了不必要的電磁干擾以及雷電襲擊。

　　【實(shí)驗(yàn)思考】

　　法拉第籠的演示還說明了外殼接地的法拉第籠可有效地隔絕籠體內(nèi)外電磁波干擾從而起到靜電屏蔽作用。

　　即使住在法拉第籠子里，也不能完全避免電磁輻射。法拉第籠不能屏蔽靜電和低速變化的磁場，比如地磁，在法拉第籠里，指南針照樣能工作。因而不可能完全避免電磁輻射。