Сущность электростатического экранирования

При внесении электрического поля в проводник, в результате поляризации электроны в нем начинают перемещаться в сторону положительно заряженной пластины и на части проводника, обращенной к этой пластине, возникает отрицательный потенциал, а противоположная часть поверхности проводника окажется заряженной положительно. Положительная и отрицательная части проводника создают свое собственное вторичное поле, которое равно внешнему и имеет направление противоположное ему, следовательно, внешнее поле, создаваемое проводником, компенсируют друг друга во всех токах внутри тела проводника. Этим и объясняется распределение зарядов только на поверхности проводника. Внутри проводника поле отсутствует. Так упрощенно выглядит один из примеров явления электростатической индукции. Этим явлением пользуются для осуществления электростатического экранирования (рис. 2).

В самом деле, поскольку всюду внутри металлического тела поле равно нулю, то достаточно поместить в его внутренней полости устройство, подверженное влиянию электростатического поля и тем самым исключить влияние поля на это устройство. В этом случае эффективность экранирования оказывается независимой ни от формы экрана, ни от толщины его стенок, ни от металла, из которого он изготовлен.

Поместим заряд +q в центре сферической металлической оболочки (рис. 3).

На внутренней поверхности оболочки возникают заряды –q, а на внешней - +q, и экран оказывается не эффективным. Однако, если теперь подключить металлическую оболочку к земле (к корпусу) (рис. 4), то это приведет к тому, что заряды, находящиеся на внешней поверхности оболочки, стекут на корпус, т.к. он обладает очень большой емкостью, вне оболочки поле окажется равным нулю.

Таким образом электростатическое экранирование по существу сводится к замыканию электростатического поля на поверхность металлического экрана и отводу электрических зарядов на землю (на корпус прибора). Заземление электростатического экрана, как видно, является необходимым элементом, вытекающим из сущности, электростатического экранирования. Без заземления электростатический экран почти полностью теряет свою эффективность. Обращает на себя внимание то, что при наличии зарядов как на внутренней, так и внешней поверхностях экрана поле внутри экрана определяется только внутренними зарядами и совершенно не зависит от внешних. Однако обратное утверждение было бы не правильным, ибо находящиеся внутри экрана заряды создают поле и вне экрана. Физически это влияние обусловлено появлением индуцированных зарядов, на внешней поверхности, влияние которых может быть нейтрализовано отводом их в землю. Следовательно, с помощью заземления электростатического экрана можно добиться взаимного экранирования как внутреннего пространства экрана от внешнего поля, так и внешнего пространства от внутреннего поля.

Если металлический экран полностью компенсирует влияние электростатического поля, то использование диэлектрических экранов может ослабить поле в E_r раз, где E_r – относительная диэлектрическая проницаемость материала, т.к. из поля свободных зарядов вычитается поле поляризационно-связных зарядов.

Поместим в поле 2-х параллельных металлических пластин диэлектрик. Под влиянием сил электростатического поля диэлектрик поляризуется: нейтральные в электрическом отношении молекулы диэлектрика превращаются в электрические диполи, а диполи, уже имеющиеся в диэлектрике, поворачиваются осями в направлении действия сил поля, образуя на боковых поверхностях электрические заряды. При этом на одной стороне диэлектрика образуется поверхностный отрицательный заряд, а на второй – положительный. Эти связанные электрические заряды диэлектрика создают в нем собственное поле, направленное на встречу внешнему, что приводит к уменьшению результирующего электростатического поля в диэлектрике. Чем больше диэлектрическая проницаемость, тем больше его величина связанных электрических зарядов и тем слабее в нем результирующее электростатическое поле. Следовательно, устройство, подверженное влиянию электростатического поля, целесообразно размещать в самом диэлектрике, например в спирте (E_r=26), в трансформаторном масле (E_r=22), дистиллированной воде (E_r=81), а при использовании твердых диэлектриков, этот диэлектрик должен плотно прилегать к устройству.

Теперь представим себе, что источник ЭДС является переменным, заряды на теле A (рис. 5) будут изменяться, а следовательно, будут изменяться и заряды, распределенные на внутренней поверхности экрана, которые в каждый момент времени будут стремиться иметь такую полярность, чтобы компенсировать поле тела A.

В результате этих изменений по экрану потечет переменный ток. Компенсация поля в данном случае с помощью заземления не может быть полной, т.к. в результате появления тока в стенках экрана на них падает напряжение. Поэтому эффективность экранирования электрического поля в данном случае оказывается зависимой как от толщины стенок, так и от проводимости материала экрана. С увеличением толщины и проводимости материала экрана остаточное поле за пределами экрана уменьшится, т.к. уменьшится падение напряжения на его стенках и одновременно возрастет эффективность экранирования.

Экранирование электрических переменных полей по существу является задачей устранения паразитных емкостных связей. На рис. 6 показано влияние положительного заряда элемента А на элемент Б вследствие наличия взаимной емкости связи С_АБ.

Поставим между телами А и Б металлический экран В радиуса r (рис. 7). Экран В будет “перехватывать” часть электрических силовых линий, защищая тем самым тело Б от электрического поля тела А. В этом случае имеем своего рода емкостной делитель. Эффектность экранирования плоского экрана радиуса r можно оценить по формуле

, (1)

где а – расстояние между телами А и Б, а1 – расстояние от тела А до экрана В, а2 – расстояние от экрана В до тела Б.

Эффективность экранирования в данном случае определяется главным образом возможностями проникновения поля помех за экран в результате дифракции рассеяния. Эти явления будут наиболее ощутимы, если a₂=a₁. Для повышения эффективности экранирования необходимо выполнить одно из условий a₂>a₁ или a₁>a₂, выбор которого определяется назначением экрана и тем, что экранируется: объект или источник помех.

Ослабление связи между телами А и Б зависит от естественного затухания волны электрического поля за счет разноса тел, т.е. U₂/U₁. Поэтому общее затухание поля характеризуется коэффициентом связи

, (2)

где D – диаметр тела А, h и b – расстояние тел А и Б от заземляющей поверхности.

Чем меньше коэффициент, тем меньше взаимное воздействие элементов и тем больше их развязка. Экранирующий эффект заземленного металлического листа заключается в шунтировании на корпус большей части паразитной емкости, имеющейся между источником и приемником наводок.

при недостаточности всех этих мер, между элементами устанавливают экран, служащий для экранирования электрического поля.

Используя электростатический экран, важно, чтобы он был хорошо заземлен, т.е. соединен с корпусом. При этом применение проводников соединяющих экран с корпусом недопустимо.

В некоторых случаях таким экраном может служить крышка корпуса, в котором располагаются эти элементы (рис. 8)

Если С3=0 , т.е. крышка плотно прижата к корпусу, С1 и С2 не будут связывать элементы А и Б. Связь между ними будет осуществляться только через емкость С_пар, величина которой намного меньше этой емкости без крышки.