【科普】三种电磁屏蔽的目的及原理详解

　　电磁屏蔽一般可分为三种：静电屏蔽、静磁屏蔽和高频电磁场屏蔽。三种屏蔽的目的都是防止外界的电磁场进入到某个需要保护的区域中，原理都是利用屏蔽对外场的感应产生的效应来抵消外场的影响。但是由于所要屏蔽的场的特性不同，因而对屏蔽壳材料的要求和屏蔽效果也就不相同。

　　一、 静电屏蔽

　　静电屏蔽的目的是防止外界的静电场进入需要保护的某个区域。静电屏蔽依据的原理是：在外界静电场的作用下导体表面电荷将重新分布，直到导体内部总场强处处为零为止。接地的封闭金属壳是一种良好的静电屏蔽装置。如图所示，接地的封闭金属壳把空间分割成壳内和壳外两个区域，金属壳维持在零电位。根据静电场的唯一性定理，可以证明：金属壳内的电场仅由壳内的带电体和壳的电位所确定，与壳外的电荷分布无关。当壳外电荷分布变化时，壳层外表面上的电荷分布随之变化，以保证壳内电场分布不变。因此，金属壳对内部区域具有屏蔽作用。壳外的电场仅由壳外的带电体和金属壳的电位以及无限远处的电位所确定，与壳内电荷分布无关。当壳内电荷分布改变时，壳层内表面的电荷分布随之变化，以保证壳外电场分布不变。因此，接地的金属壳对外部区域也具有屏蔽作用。在静电屏蔽中，金属壳接地是十分重要的。当壳内或壳外区域中的电荷分布变化时，通过接地线，电荷在壳层外表面和大地之间重新分布，以保证壳层电势恒定。从物理图像上看，因为在静电平衡时，金属内部不存在电场，壳内外的电场线被金属隔断，彼此无联系，因此，导体壳有隔离壳内外静电相互作用的效应。

　　如果金属壳未完全封闭，壳上开有孔或缝，也同样具有静电屏蔽作用。在许多实际应用中，静电屏蔽装置常常是用金属丝编织成的金属网代替闭合的金属壳，即使一块金属板，一根金属线，亦有一定的静电屏蔽作用，只是屏蔽的效果不如金属壳。

　　在外电场的作用下，电荷在导体上的重新分布，在10-19秒数量级时间内就可完成，因此对低频变化的电场，导体上的电荷有足够长的时间来保证内部场强为零．所以静电屏蔽装置对缓慢变化的电场也有屏蔽作用。为了提高对变化电场的屏蔽效果，屏蔽物的电导率应大，接地线要短，与地的接触要良好。

　　身穿高压作业服的人，由于被铜丝编织的衣服所包裹，人体内的场强保持为零，因此没有电流从人体中流过，人体是安全的。不过在作业者刚刚接触高压线的一瞬间高压服上的电荷有一个瞬时分布的过程，在这极小的时间内人体会有短暂的微弱电场作用，一般作业者都能经受住这考验。静电屏蔽的特点是一般只考虑到对静电场的屏蔽，封闭导体的屏蔽作用是完全的（即内部场强可达到真正等于零），对屏壁壳的厚度和电导率也无要求。只有在把低频交流电场的屏蔽包括在静电屏蔽中时，总是希望屏蔽壳的电导率愈高愈好。

　　二、静磁屏蔽

　　静磁屏蔽的目的是防止外界的静磁场和低频电流的磁场进入到某个需要保护的区域，这时必须用磁性介质做外壳。静磁屏蔽依据的原理可借助并联磁路的概念来说明。把一高磁导率的材料制成的球壳放在外磁场中，则铁壳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的多。这样一来，外磁场的磁感应通量中绝大部分将沿着铁壳壁内“通过”，“进入”空腔内部的磁通量是很少的，这就达到了磁屏蔽的目的。

　　外壳的厚度和磁导率对屏蔽效果有很明显的影响：外壳越厚、磁导率越高，屏蔽的效果就越好。因此，在重量和体积受到限制的情况下，常常采用磁导率高达几万的坡莫合金来做屏蔽壳，而且壳的各个部分要尽量结合紧密，使磁路畅通。

　　如果要制造绝对的“静磁真空”，则可以利用超导体的“迈斯纳效应”。即将一块超导体放在外磁场中，其体内的磁感应强度永远为零。超导体是完全抗磁体，具有最理想的静磁屏蔽效果，但目前还不能普遍应用。

　　手表为了防磁，在机芯外装一个铁质的衬套 也是一种屏蔽作用。

　　

　　三、高频电磁场屏蔽

　　在火车车厢里，打开半导体收音机，几乎收不到电台的广播，这是由于车厢的蒙皮大部分是由铁皮制成，它起了屏蔽作用。

　　高频电磁场屏蔽是防止外界的高频电磁场进入到某个区域。由于电磁场的变化频率很高（例如百万赫兹或更高），场中导体上的感应电荷已不能再看作静止的了（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“贯穿深度”来说明屏蔽的原理：当高频电磁波射向一导体表面，并进入表面后，它会在导体中感应出一个高频交变电流，此电流会激发一个新的电磁波，新激发的电磁波在导体内部与入射的电磁波相位相反、同时导体内电流的产生还导致入射波场能的消耗，结果使得导体内部总的电磁场基本上随深度呈指数衰减，可以用“贯穿深度”来表示衰减的程度。“贯穿深度”与入射电磁波的频率、导体的电导率及磁导率都有关系：频率越高、电导率越大、磁导率越大“贯穿深度”就越小。当壳罩壁的厚度大于贯穿深度时，壳罩就具有良好的电磁屏蔽作用。高电导率或高磁导率材料制成的壳罩是一种良好的电磁屏蔽装置。提高壳罩材料的电导率或磁导率，增加壳壁的厚度，可以提高电磁屏蔽的效果。

　　

　　像铝、钢、铁这样的金属，1兆赫左右的电磁波在其中的“透入深度”约百分之几毫米，所以这些金属只要一张纸那么厚就基本可以屏蔽I兆赫的电磁波。尤其是铁，因为它的磁导率很高，故屏蔽效果特别好。如在收音机中，用空芯铝壳罩在线圈外面，使它不受外界电磁场的干扰从而避免杂音。音频馈线用屏蔽线也是这个道理。示波管用铁皮包着，也是为了使杂散电磁场不影响电子射线的扫描。在金属屏蔽壳内部的元件或设备所产生的高频电磁波也透不出金属壳而不致影响外部设备。

　　高电导率材料制成的屏蔽物对低频磁场的屏蔽效果比较差。例如，在工频50赫时，铜的贯穿深度约为9.4毫米，薄壁铜壳的屏蔽作用很小。在实际应用中，常采用静磁屏蔽措施来屏蔽低频磁场。电磁屏蔽物接地后也可以屏蔽静电干扰。电磁屏蔽物上不能随意开缝，因为电磁屏蔽还利用了涡电流的作用，若缝隙割断了涡电流的通路，屏蔽效果要降低。

　　

　　远近场的划分

　　根据两类基本源的场随1/r（场点至源点的距离）的变化来划分远近场，两类源在远近场的场特征及传播特性均有所不同。故远近场的划分满足以下原则：

　　近场： 远场：

　　电磁屏蔽材料：

　　选择使用什么种类电磁密封衬垫时要考虑四个因素：屏蔽效能要求、有无环境密封要求、安装结构要求、成本要求。按机理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。