На каком свойстве проводников основана электростатическая защита

Общий каталог эффектов

• Научно-технические эффекты (НТЭ)

Электростатическая защита с помощью металлических листов

Анимация

Описание

Электростатическая защита – защита приборов и оборудования, основанная на том, что напряженность электростатического поля внутри проводника равна нулю.

Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его. Это связано с тем, что любое вещество состоит из заряженных частиц. При наличии внешнего поля происходит перераспределение заряженных частиц, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле складывается в соответствии с принципом суперпозиции из внешнего поля и внутреннего поля, создаваемого заряженными частицами вещества.

Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его. Это связано с тем, что вещество состоит из заряженных частиц. В отсутствие внешнего поля частицы распределяются внутри вещества так, что создаваемое ими электрическое поле в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. При наличии внешнего поля происходит перераспределение заряженных частиц, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле складывается в соответствии с принципом суперпозиции из внешнего поля и внутреннего поля создаваемого заряженными частицами вещества.

Вещество многообразно по своим электрическим свойствам. Наиболее широкие классы вещества составляют проводники и диэлектрики.

Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов (электронов), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника. Типичные проводники – металлы.

В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды (рисунок 1). Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами.

Индукционные заряды создают свое собственное поле которое компенсирует внешнее поле во всем объеме проводника: (внутри проводника).

Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника.

Электростатическая индукция

Рис.1

Все внутренние области проводника, внесенного в электрическое поле, остаются электронейтральными. Если удалить некоторый объем, выделенный внутри проводника, и образовать пустую полость, то электрическое поле внутри полости будет равно нулю. На этом основана электростатическая защита – чувствительные к электрическому полю приборы для исключения влияния поля помещают в металлические ящики (рисунок 2).

Электростатическая защита. Поле в металлической полости равно нулю

Рис.2

Так как поверхность проводника является эквипотенциальной, силовые линии у поверхности должны быть перпендикулярны к ней.

В отличие от проводников, в диэлектриках (изоляторах) нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле в нем возникает некоторое перераспределение зарядов, входящих в состав атомов или молекул. В результате такого перераспределения на поверхности диэлектрического образца появляются избыточные нескомпенсированные связанные заряды. Все заряженные частицы, образующие макроскопические связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов.

Связанные заряды создают электрическое поле которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности внешнего поля. Этот процесс называется поляризацией диэлектрика. В результате полное электрическое поле внутри диэлектрика оказывается по модулю меньше внешнего поля .

Ключевые слова

• проводник
• электростатическая индукция
• принцип суперпозиции
• электростатика
• свободный заряд
• электрическое поле
• диэлектрик
• электростатическая защита
• напряженность
• электрический заряд

Области техники и экономики

• Технологии и техника зашиты от шума, вибрации, электрических и магнитных полей и излучений

Применение эффекта

В последнее время особенно важной стала защита человека от вредного влияния техногенных электромагнитных полей, а также влияния геопатогенных зон.

Везде, где необходима защита людей от воздействия электромагнитных полей, защита секретной информации и создание благоприятных условий для отдыха и работы актуально применение защитных средств.

В последнее время были изобретены и запатентованы магнезиально-шунгитовые сухие строительные смеси штукатурки и составы для устройства стяжек пола.

Этот способ защиты оказался гораздо технологичнее, чем ранее известные экранирование с помощью металлической сетки или металлических листов. Также доказано, что пребывание в помещении облицованном шунгитом в целом улучшает состояние здоровья человека, в то время как длительное пребывание в помещении экранированном, например, металлической сеткой может действовать на состояние человека негативно.

Экранирование также может использоваться для защиты секретной информации. При этом люди находящиеся в радионепрозрачных помещениях не пострадают, поскольку экранирования естественного электромагнитного поля земли, при использовании магнезиально-шунгитовых экранов, не происходит. В отличии металлических экранов, которые полностью изолировали человека от всех видов полей.

Использование шунгитовых смесей также актуально для защиты от действия геопатогенных зон. Это особенно актуально в свете того, что в настоящее время застройка ведется без учета такого фактора, как структура геологических неоднородностей. В результате чего многие дома просто непригодны для жизни, через какое-то время люди в них начинают беспричинно болеть.

Реализации эффекта

Защита создается достаточно просто: потенциал на экране задается от источника с низким выходным импедансом; этот потенциал должен быть практически таким же, что и потенциал экранируемого сигнала, т.е. сигнальное и экранное напряжения синфазны и равны. Защита имеет много положительных качеств: она уменьшает синфазную емкость (поскольку потенциалы сигнала и экрана одинаковы), улучшает подавление синфазной составляющей и уменьшает токи утечки в высокоомных схемах.

На рисунке 1 показан пример использования операционного усилителя с малым током смещения в неинвертирующем включении. Кабель в данном случае используется для экранирования от наводок из-за емкостной связи высокоимпедансного сигнального проводника и уменьшения токов утечки. Сигнал поступает от источника с очень высоким выходным сопротивлением (10 МОм), а сопротивление утечки кабеля (которое зависит от температуры, влажности и т.п.) составляет 1000 МОм.

Операционный усилитель с экранированным высоким входом

Рис.1

Литература

1. Р. Фейнман, Р. Лейтон. М. Сэндс/ Фейнмановские лекции по физике. Перевод с английского. Т.5.

2. Физическая энциклопедия / гл.ред. Прохоров А.М. – М.: Большая российская энциклопедия. 1994.