淺談電磁場屏蔽

竇超

（唐山學(xué)院基礎(chǔ)教學(xué)部 河北 唐山 063000）

0 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的電子電氣設(shè)備進(jìn)入人們的生活，電磁污染日益嚴(yán)重。另一方面，由于電子電氣設(shè)備小型化的要求，極易受外界電磁干擾而使其產(chǎn)生誤動(dòng)作，從而帶來嚴(yán)重后果。因此人們越來越重視電子產(chǎn)品的電磁兼容性（EMC），電磁場的屏蔽就是電磁兼容技術(shù)的主要措施之一。

根據(jù)條件的不同，電磁場的屏蔽一般可以分為三類：靜電屏蔽、靜磁屏蔽和高頻電磁場的屏蔽。三種屏蔽的共同點(diǎn)是防止外界的電磁場進(jìn)入到某個(gè)需要保護(hù)的區(qū)域中去。但是由于所要屏蔽的場的特性不同，因而對屏蔽材料的要求也就不一樣。

1 靜電屏蔽

靜電屏蔽的目的是防止外界的靜電場進(jìn)入到某個(gè)區(qū)域。實(shí)際上對于變化很慢的交流電而言，它周圍的電場幾乎和靜電場一樣，只是電荷的分布周期性地變化而已。因此防止低頻交流電的電場，也可以歸結(jié)為靜電屏蔽一類。靜電屏蔽對導(dǎo)體殼的厚度和電導(dǎo)率無特別要求，但對于低頻交流電場，屏蔽殼要選電導(dǎo)率高一點(diǎn)的材料。

圖1 空腔導(dǎo)體屏蔽外電場

圖2

圖3

靜電屏蔽分為外屏蔽和全屏蔽。空腔導(dǎo)體內(nèi)無電荷，在外電場中處于靜電平衡時(shí)，其內(nèi)部的場強(qiáng)總等于零（圖1），因此外電場不可能對其內(nèi)部空間發(fā)生任何影響。若空腔導(dǎo)體內(nèi)有帶電體，在靜電平衡時(shí)，它的內(nèi)表面將產(chǎn)生等量異號的感應(yīng)電荷，外表面會(huì)產(chǎn)生等量同號的感應(yīng)電荷（圖2），此時(shí)感應(yīng)電荷的電場將對外界產(chǎn)生影響。這時(shí)空腔導(dǎo)體只能屏蔽外電場，卻不能屏蔽內(nèi)部帶電體對外界的影響，所以叫外屏蔽。如果外殼接地，即使內(nèi)部有帶電體存在，內(nèi)表面感應(yīng)的電荷與帶電體所帶的電荷的代數(shù)和為零，而外表面產(chǎn)生的感應(yīng)電荷通過接地線流入大地（圖3）。此時(shí)外界無法影響殼內(nèi)空間，內(nèi)部帶電體對外界的影響也隨之消除，所以這種屏蔽叫做全屏蔽。

實(shí)際使用中一般均采用接地的屏蔽方法，且金屬外殼不必嚴(yán)格完全封閉，用金屬網(wǎng)罩代替金屬殼體也可達(dá)到類似的靜電屏蔽效果。例如高壓電力設(shè)備安裝接地金屬網(wǎng)，電子儀器的整體及某些部分使用接地金屬外殼等。

2 靜磁屏蔽

圖4

靜磁屏蔽的目的是屏蔽外界靜磁場和低頻電流的磁場，這時(shí)必須用磁性介質(zhì)作外殼。如圖4，用磁導(dǎo)率為 的鐵磁材料制成屏蔽殼，殼與空腔則可看作兩個(gè)并聯(lián)的磁阻。由于 ，空腔磁阻遠(yuǎn)大于屏蔽殼磁阻，所以外界的磁感線絕大部分穿過屏蔽殼而不進(jìn)入空腔。要想獲得更好的屏蔽效果，可使用較厚的屏蔽殼或采用多重屏蔽殼。因此效果良好的鐵磁屏蔽殼一般都比較笨重。在重量和體積受到限制的情況下，常常采用磁導(dǎo)率高達(dá)數(shù)萬的坡莫合金來做屏蔽殼，殼的各個(gè)部分要盡量結(jié)合緊密，使磁路暢通。磁屏蔽不同于電屏蔽，殼體是否接地不會(huì)影響屏蔽效果，但是要求金屬材料磁導(dǎo)率要高。

為了防止外界磁場的干擾，常在示波器、顯像管中電子束聚焦部分加上磁屏蔽殼，就可以起到磁屏蔽的作用。

3 高頻電磁場的屏蔽

從能量的觀點(diǎn)看，電磁波在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播時(shí)有能量損耗，因此必須考慮電磁波在導(dǎo)體中透入的深度。電磁波透入的深度與其頻率及導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率都有關(guān)系。頻率越高、電導(dǎo)率越大、磁導(dǎo)率越大，透入的深度就越小。當(dāng)電磁場的頻率很高時(shí)（例如上百萬赫茲或更高），高頻電磁波只能透入導(dǎo)體表面薄層內(nèi)，并在導(dǎo)體表面這一薄層內(nèi)形成高頻交變電流（渦流），這種現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)。

圖5

利用金屬材料在高頻電磁場中產(chǎn)生的渦流可以起到屏蔽作用。如圖5所示，假設(shè)A處有高頻電磁場（圖中只畫了磁場），為減少它對B處的干擾，在A、B間加入金屬板。此板垂直于交變磁場方向，使金屬板感應(yīng)出渦流。當(dāng)原交變磁場增強(qiáng)時(shí)，感應(yīng)出的渦流會(huì)產(chǎn)生與原磁場方向相反的反磁場。金屬板電阻越小、渦流越大，反磁場越強(qiáng)。由于反磁場抵消了原磁場，大大削弱了B處的合磁場，金屬板就這樣起到了屏蔽作用。若把金屬板制成殼體容器，把A處或B處的電路包起來，屏蔽效果會(huì)更好。

雖然這是從屏蔽交變磁場角度來說明的，但高頻電磁場的電場、磁場相互感應(yīng)，所以削弱磁場就是屏蔽電磁輻射。我們并未要求屏蔽物接地，因?yàn)闇u流在金屬板上流通與是否接地?zé)o關(guān)。如果把屏蔽物接地，那就兼有電屏蔽作用，所以高頻電路的屏蔽殼體總是接地的。

在實(shí)際應(yīng)用中我們常常建立電磁屏蔽室：學(xué)生坐在里面考試，防止他們利用電子設(shè)備作弊；一些加密信號的傳輸在里面測試，可以將發(fā)射信號衰減的很微弱，而且場強(qiáng)十分準(zhǔn)確；高抗干擾的通信設(shè)備，也要在這種電磁“真空”環(huán)境里調(diào)試，才能工作在電子對抗的戰(zhàn)場。

綜上所述，靜電屏蔽、靜磁屏蔽、高頻電磁場屏蔽的屏蔽原理、應(yīng)用條件、屏蔽作用是不同的，所用材料也要從具體情況出發(fā)，但它們的目的都是屏蔽電磁場，有本質(zhì)聯(lián)系。

4 結(jié)束語

在電子技術(shù)日新月異的今天，電磁信號的相互干擾必不可免。如果我們合理地利用屏蔽，就能有效的抑制外來電磁場的干擾，或避免自身作為干擾源，去影響其它電器和工業(yè)電子設(shè)備工作。

［1］趙凱華,陳熙謀.電磁學(xué)∶下冊[M].北京∶人民教育出版社,1978∶319,347-354.

［2］馬文蔚,改編.物理學(xué)∶上冊[M].北京∶高等教育出版社,2006∶200,286.