法拉第笼原理

“法拉第笼”是以电磁学创始人、英国著名物理学家迈克尔法拉第命名的一种设备，用于演示等电位、静电屏蔽、高压带电作业原理。这个设备源于法拉第著名的实验——法拉第笼，有被电击的危险。法拉第把自己锁在一个金属笼子里。当笼子外面发生强烈的静电放电时，什么也没发生。
【法拉第笼原理】法拉第笼是由金属或良导体制成的笼，由笼体、高压电源、电压显示和控制部分组成。笼体与地面相连。高压电源通过限流电阻向放电棒提供100，000伏dc高压。当放电棒距离笼体10厘米时，出现放电火花。根据接地导体的静电平衡条件，笼体为平行体，内部电位差为零，电场为零，电荷分布在靠近放电棒的外表面。
法拉第笼的原理是基于静电屏蔽。它的原理是，如果将导体置于电场强度为e的外电场中，导体中的自由电子在电场力的作用下会逆着电场运动。这样，导体的负电荷分布在一侧，正电荷分布在另一侧。由于导体中电荷的重新分布，这些电荷形成另一个与外电场方向相反的电场，电场强度在e以内。
根据场强叠加原理，导体内的电场强度等于外e和内e的叠加，相等和相反的电场叠加相互抵消，使导体内的总电场强度为零。当导体中的总电场强度为零时，导体中的自由电子不再定向运动。在物理学中，导体中没有电荷运动的状态称为静电平衡。导体处于静平衡时，内部电场强度处处为零。
由此可以推断，在静电平衡状态下，电荷只分布在导体的外表面。如果这个导体是空心的，当它达到静电平衡时，内部就没有电场了。这样，导体的外壳会在其内部起到“保护”作用，使其内部不受外部电场的影响。这种现象叫做静电屏蔽。
当然，法拉第笼的演示也表明，接地的法拉第笼可以有效隔离笼内外的电磁干扰，从而起到静电屏蔽的作用。
基于法拉第笼和静电屏蔽的原理，人们用金属丝为高压带电操作人员制作了防护服。金属导体外壳内的仪器由金属外壳屏蔽，不受工作环境中外部电场的影响。常用的屏蔽电缆就是基于这个原理。对了，我们的车是法拉第笼。因为车壳是大金属壳，形成等位体。司机在雷雨天气开车时，车内的人不用担心被雷击。
需要注意的是，即使生活在法拉第笼中也不能完全避免电磁辐射。法拉第笼屏蔽不了静电和低速磁场，比如地磁。在法拉第笼中，指南针仍然可以工作，人类无法完全避免电磁辐射。