静电场的应用静电屏蔽

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1、 静电场的应用静电屏蔽第七组第七组第七组第七组组长：罗文霞组长：罗文霞组长：罗文霞组长：罗文霞组员：高利荣组员：高利荣组员：高利荣组员：高利荣 侯文攀侯文攀侯文攀侯文攀 刘庆刘庆刘庆刘庆 龙志勇龙志勇龙志勇龙志勇 孟平孟平孟平孟平目录静电场静电屏蔽原理静电屏蔽的分类静电屏蔽的应用静电屏蔽的意义静电场：静电场： 当静止电荷的电荷量不随当静止电荷的电荷量不随时间变化时，由它产生的电场也时间变化时，由它产生的电场也不随时间变化，这种电场成为静不随时间变化，这种电场成为静电场。电场。静电（静电（static electricity)：是一种处于静：是一种处于静止状态的电荷。止状态的电荷。静电是一种电能

2、，它存留于物体表面，是静电是一种电能，它存留于物体表面，是正负电荷在局部范围内失去平衡的结果，正负电荷在局部范围内失去平衡的结果，是通过电子或离子的转换而形成的。是通过电子或离子的转换而形成的。静电现象是电荷在产生和消失过程中产生静电现象是电荷在产生和消失过程中产生的电现象的总称。如摩擦起电、人体起电的电现象的总称。如摩擦起电、人体起电等现象。等现象。静电场的应用：静电场广泛应用于工农业中。其主要利用静电感应,静电放电,静电屏蔽，电场力以及高压气体放电等的效应及原理，实现多种加工工艺及设备。1：工业中：静电场广泛应用于电力，机械，纺织，轻工，航空航天以及高技术领域；2：农业方面：利用高压静电场

3、处理种子可提高产量和抗性；3：生活方面：应用于治疗，空气除尘以及厨房抽油烟机等。级静电感应：指多带点体之间通过电场的相互作用，静电感应：指多带点体之间通过电场的相互作用，改变物体的电荷分布及电位的现象。改变物体的电荷分布及电位的现象。 如电容式传感如电容式传感器就是根据静电感应原理制成。器就是根据静电感应原理制成。电场力的应用：电场力的应用广泛。电场力的应用：电场力的应用广泛。1.工业中：静电除尘，静电分离，静电喷涂，砂纸工业中：静电除尘，静电分离，静电喷涂，砂纸生产等技术；生产等技术； 2.农业中：利用静电场进行无土栽培，改善种子和农业中：利用静电场进行无土栽培，改善种子和实物保鲜。我们所熟

4、知的：电子管，显像管，回旋实物保鲜。我们所熟知的：电子管，显像管，回旋加速器，静电打印机和激光打印机等都是利用电场加速器，静电打印机和激光打印机等都是利用电场力对带电粒子的作用而制成的。力对带电粒子的作用而制成的。电子工业中静电障害的形成电子工业中静电障害的形成静电的产生在工业生产中是不可避免的，其造成的危害主要可归结为以下静电的产生在工业生产中是不可避免的，其造成的危害主要可归结为以下两种机理：两种机理： 一：一：静电放电静电放电（ESD）造成的危害：）造成的危害： （1）引起电子设备的故障或误动作，造成电磁干扰。）引起电子设备的故障或误动作，造成电磁干扰。 （2） 击穿集成电路和精密的电子

5、元件，或者促使元件老化，降击穿集成电路和精密的电子元件，或者促使元件老化，降低生产成品率。低生产成品率。 （3）高压静电放电造成电击，危及人身安全。）高压静电放电造成电击，危及人身安全。 （4） 在多易燃易爆品或粉尘、油雾的生产场所极易引起爆炸和在多易燃易爆品或粉尘、油雾的生产场所极易引起爆炸和火灾。火灾。 二：二：静电引力静电引力（ESA）造成的危害：）造成的危害： （1） 电子工业：吸附灰尘，造成集成电路和半导体元件的污染，电子工业：吸附灰尘，造成集成电路和半导体元件的污染，大大降低成品率。大大降低成品率。 （2）胶片和塑料工业：使胶片或薄膜收卷不齐；胶片、）胶片和塑料工业：使胶片或薄膜收

6、卷不齐；胶片、CD塑盘塑盘沾染灰尘，影响品质。沾染灰尘，影响品质。 （3） 造纸印刷工业：纸张收卷不齐，套印不准，吸污严重，甚造纸印刷工业：纸张收卷不齐，套印不准，吸污严重，甚至纸张黏结，影响生产。至纸张黏结，影响生产。 （4）纺织工业：造成根丝飘动、缠花断头、纱线纠结等危害。）纺织工业：造成根丝飘动、缠花断头、纱线纠结等危害。 静电屏蔽原理如果将导体放在电场强度为如果将导体放在电场强度为E E外的外电场中，导体内的自由电外的外电场中，导体内的自由电子在电场力的作用下，会逆电场方向运动。这样，导体的负电荷子在电场力的作用下，会逆电场方向运动。这样，导体的负电荷分布在一边，正电荷分布在另一边，这

7、就是静电感应现象。由于分布在一边，正电荷分布在另一边，这就是静电感应现象。由于导体内电荷的重新分布，这些电荷在与外电场相反的方向形成另导体内电荷的重新分布，这些电荷在与外电场相反的方向形成另一电场，电场强度为一电场，电场强度为E E内。根据场强叠加原理，导体内的电场强度内。根据场强叠加原理，导体内的电场强度等于等于E E外和外和E E内的叠加。当导体内部总电场强度为零时，导体内的内的叠加。当导体内部总电场强度为零时，导体内的自由电子不再移动。物理学中将导体中没有电荷移动的状态叫做自由电子不再移动。物理学中将导体中没有电荷移动的状态叫做静电平衡静电平衡。处于静电平衡状态的导体，内部电场强度处处为

8、零。处于静电平衡状态的导体，内部电场强度处处为零。由此可推知，处于静电平衡状态的导体，电荷只分布在导体的外由此可推知，处于静电平衡状态的导体，电荷只分布在导体的外表面上。如果这个导体是中空的，当它达到静电平衡时，内部也表面上。如果这个导体是中空的，当它达到静电平衡时，内部也将没有电场。将没有电场。 这样，导体的外壳就会对它的内部起到这样，导体的外壳就会对它的内部起到“ “保护保护” ”作用，使它的内部不受外部电场的影响，这种现象称为作用，使它的内部不受外部电场的影响，这种现象称为静电屏蔽静电屏蔽。导体的外壳对它的内部起到导体的外壳对它的内部起到“保护保护”作作用，使它的内部不受外部电场的影响，

9、用，使它的内部不受外部电场的影响，这种现象称为静电屏蔽这种现象称为静电屏蔽。+导体内电场强度导体内电场强度外电场强度外电场强度感应电荷电场强度感应电荷电场强度静电平衡时导体内部电场分布静电屏蔽实验：静电屏蔽实验： 法拉第曾经冒着被电击的危险，做了一个法拉第曾经冒着被电击的危险，做了一个闻名于世的实验闻名于世的实验法拉第笼实验。法拉法拉第笼实验。法拉第把自己关在金属笼内，当笼外发生强大第把自己关在金属笼内，当笼外发生强大的静电放电时，他并未受到任何影响。的静电放电时，他并未受到任何影响。现象 下图为一处于静电屏蔽状态的鸟笼2024/9/1912静电屏蔽分类：静电屏蔽分类：1.外屏蔽外屏蔽 ：空腔

10、内有带电体，但是在静电平：空腔内有带电体，但是在静电平衡时导体外壳不接地。这时只能屏蔽外电衡时导体外壳不接地。这时只能屏蔽外电场对内电场的影响，不能屏蔽内电场对外场对内电场的影响，不能屏蔽内电场对外电场的影响。电场的影响。 2.全屏蔽：空腔内有带电体，但是在静电平全屏蔽：空腔内有带电体，但是在静电平衡时导体外壳接地。这时既能屏蔽外电场衡时导体外壳接地。这时既能屏蔽外电场对内电场的影响，又能屏蔽内电场对外电对内电场的影响，又能屏蔽内电场对外电场的影响。场的影响。 静电屏蔽的应用静电屏蔽的应用为了防止外界信号的干扰，静电屏蔽被广泛地应用科学技术为了防止外界信号的干扰，静电屏蔽被广泛地应用科学技术工

11、作中。例如电子仪器设备外面的金属罩，通讯电缆外面包工作中。例如电子仪器设备外面的金属罩，通讯电缆外面包的铅皮等等，都是用来防止外界电场干扰的屏蔽措施。的铅皮等等，都是用来防止外界电场干扰的屏蔽措施。 高压带电作业高压带电作业(500千伏带电作业用的屏蔽服千伏带电作业用的屏蔽服)很多电子仪器很多电子仪器,比如示波器的接线都是屏蔽线比如示波器的接线都是屏蔽线汽车外的天线汽车外的天线有线电视信号线有线电视信号线,外面就有一层金属丝外面就有一层金属丝,就为了静电屏蔽就为了静电屏蔽,使使信号不受干扰信号不受干扰 在服务区怕被人打手机在服务区怕被人打手机,又不能关机又不能关机,找个金属盒子装进去找个金属盒

12、子装进去,就变成了就变成了您拨打的用户不在服务区您拨打的用户不在服务区日常生活中的静电屏蔽日常生活中的静电屏蔽: 很多家用电器都套有金属外套，如功放机、很多家用电器都套有金属外套，如功放机、DVD机等。有线电视的信号线的铜芯外就包有一层机等。有线电视的信号线的铜芯外就包有一层金属网，这层金属网可以屏蔽掉干扰信号，因此有金属网，这层金属网可以屏蔽掉干扰信号，因此有线电视的画面比较清晰、声音比较清楚。线电视的画面比较清晰、声音比较清楚。屏蔽装置屏蔽装置在工程技术中，如果需要屏蔽的区在工程技术中，如果需要屏蔽的区域较大，还可采用金属屏蔽网域较大，还可采用金属屏蔽网,也有良好也有良好的屏蔽效果。在电子

13、仪器中的屏蔽效果。在电子仪器中,为了免受静为了免受静电干扰，常利用接地的仪器金属外壳作电干扰，常利用接地的仪器金属外壳作屏蔽装置。电测量仪器中的某些联接线屏蔽装置。电测量仪器中的某些联接线的导线绝缘外面包有一层金属丝网做为的导线绝缘外面包有一层金属丝网做为屏蔽。某些用途的电源变压器中，常在屏蔽。某些用途的电源变压器中，常在初级绕组与次级绕组之间放置一不闭合初级绕组与次级绕组之间放置一不闭合的金属薄片作为屏蔽装置。的金属薄片作为屏蔽装置。 屏蔽产品屏蔽产品 如屏蔽袋、导电袋、有盖的周转箱如屏蔽袋、导电袋、有盖的周转箱,静电静电屏蔽服等，利用法拉第杯静电屏蔽原理，保护屏蔽服等，利用法拉第杯静电屏蔽

14、原理，保护内装物品。内装物品。 屏蔽袋屏蔽线屏蔽服电子装备生产过程中消除静电的途径电子装备生产过程中消除静电的途径静电的控制静电的控制：工艺控制法目的是在生产过程中尽量少地产生静电荷。工艺控制法目的是在生产过程中尽量少地产生静电荷。 泄露法泄露法 目的是使静电荷通过泄露达到消除。目的是使静电荷通过泄露达到消除。静电屏蔽法采用接地的屏蔽罩把带电体与其它物体隔静电屏蔽法采用接地的屏蔽罩把带电体与其它物体隔离开，这样带电体的电场将不影响周围其它物体，这种离开，这样带电体的电场将不影响周围其它物体，这种屏蔽方法叫内场屏蔽。有时也用接地的屏蔽罩把被隔离屏蔽方法叫内场屏蔽。有时也用接地的屏蔽罩把被隔离物体

15、包围起来使被隔离物免受外界电场的影响，这种屏物体包围起来使被隔离物免受外界电场的影响，这种屏蔽方法叫外场屏蔽。蔽方法叫外场屏蔽。复合中和法及其它通过复合中和法来达到静电荷的消复合中和法及其它通过复合中和法来达到静电荷的消除。除。防静电屏蔽材料防静电屏蔽材料 的详细介绍的详细介绍 适用于适用于PCB(印制电路板印制电路板)、IC 等静电敏感类高等静电敏感类高科技电子产品的运输与包装。具有防静电功能。防科技电子产品的运输与包装。具有防静电功能。防静电屏蔽材料内外层由透明的防静电材料构成，中静电屏蔽材料内外层由透明的防静电材料构成，中间为半透明的导电金属层，因而具有良好的防静电、间为半透明的导电金属

16、层，因而具有良好的防静电、静电屏蔽性能，外观银灰色、半透明，可透视被包静电屏蔽性能，外观银灰色、半透明，可透视被包装物。广泛应用于电脑主板、声卡、显卡等静电敏装物。广泛应用于电脑主板、声卡、显卡等静电敏感的电子产品的包装；感的电子产品的包装； 主要技术参数：常规厚度：主要技术参数：常规厚度：3mil(【电电】密耳密耳(千分之一英寸千分之一英寸)；表面电阻率：内层，；表面电阻率：内层，10的的5次方至次方至10的的11次方；金属层，小于次方；金属层，小于50欧姆；外层，小于等欧姆；外层，小于等于于10的的11次方；静电屏蔽：小于等于次方；静电屏蔽：小于等于30V；电磁干；电磁干扰衰减：大于等于扰

17、衰减：大于等于10db。IC: 即集成即集成电路电路是采用半导体制作工艺，是采用半导体制作工艺，在一块较小的在一块较小的单晶硅片单晶硅片上制作上许多晶体管上制作上许多晶体管及及电阻器电阻器、电容器等、电容器等元器件元器件，并按照多层布，并按照多层布线或遂道布线的方法将元器件组合成完整的线或遂道布线的方法将元器件组合成完整的电子电路。它在电路中用字母电子电路。它在电路中用字母“IC”（也有（也有用文字符号用文字符号“N”等）表示。等）表示。目前国际上有关静电屏蔽性能测试的标准方目前国际上有关静电屏蔽性能测试的标准方法有法有： 1.美国电子工业协会标准美国电子工业协会标准EIA-541 2. 英国

18、标准英国标准BS7560 这些方法归纳起来可分为电容放电法和双极这些方法归纳起来可分为电容放电法和双极性高压脉冲放电法。性高压脉冲放电法。电容放电法电容放电法: 此方法是美国电子工业协会标准此方法是美国电子工业协会标准EIA541 推推荐的测试方法荐的测试方法, 其原理是给其原理是给200pF电容充上电容充上1 V的的电压电压, 电容传感器探头置于材料包装袋内电容传感器探头置于材料包装袋内, 其中心其中心约在试验袋开口端内侧约在试验袋开口端内侧50mm处处, 并将它们放置在并将它们放置在试验装置的上下金属电极之间试验装置的上下金属电极之间, 电容充电后电容充电后, 利用利用转换开转换开关经由一

19、个关经由一个400K的电阻通过被测材料放电的电阻通过被测材料放电, 将探将探头上感应的电压信号引人到测量仪器。头上感应的电压信号引人到测量仪器。 该测试方法操作简单该测试方法操作简单, 能够比较客观地反映能够比较客观地反映材料的屏蔽性能。典型测试装置为美国生产的材料的屏蔽性能。典型测试装置为美国生产的ACL-500型静电屏蔽测试表。型静电屏蔽测试表。双极性高压脉冲放电法：双极性高压脉冲放电法： 此方法为英国标准此方法为英国标准BS7506推荐的材料屏蔽性能测试方推荐的材料屏蔽性能测试方法。此方法将具有对称峰值幅度和脉冲波形的高压电场脉冲法。此方法将具有对称峰值幅度和脉冲波形的高压电场脉冲对一规

20、定宽度的材料放电。位于被试样品层另一侧的传感器对一规定宽度的材料放电。位于被试样品层另一侧的传感器, 将所测得的信号送到信号处理电路。此测试系统比较复杂将所测得的信号送到信号处理电路。此测试系统比较复杂, 所测试样品为一个试样层所测试样品为一个试样层, 而不是试样袋。虽然此法中采用而不是试样袋。虽然此法中采用了正负脉冲放电了正负脉冲放电, 但它是以同步、同幅度、同脉冲波形的放但它是以同步、同幅度、同脉冲波形的放电电, 其目的是为了解决单极性放电时在试样层上存在净电荷其目的是为了解决单极性放电时在试样层上存在净电荷的问题的问题, 而不是真正用来检测不同放电极性下的屏蔽性能。而不是真正用来检测不同

21、放电极性下的屏蔽性能。 此法的最大优点是它把所测信号经过信号处理电路后此法的最大优点是它把所测信号经过信号处理电路后分成了分成了9个频段个频段, 且能把每个频段感应的信号峰值保留下来且能把每个频段感应的信号峰值保留下来, 便于分析材料对于各个频段信号的屏蔽性能。便于分析材料对于各个频段信号的屏蔽性能。阻隔材料静电屏蔽性能测试方法1.实验方法与实验装置实验方法与实验装置 该项研究采用美国电子工业协会标准EIA-541规定的电容放电方法。实验装置采用自制的屏蔽性能测试装置和美制ACL-500型仪器并进行对比实验。 图1 为自制装置的电容探头的结构, 图2为电容放电测试法原理图。 电容探头具有高的阻

22、抗(高于10M) 和低的电容(5pF或更小), 电容探头是镶在一块绝缘材料上厚1.5mm的金属板。实验装置包括上部一块 38mm的金属接触板和一块用以支承被试样品与电容探头的适当尺寸的接地金属板。置电容探头于试验袋内, 其中心约在试验袋开口内侧50mm处, 将它们放置在实验装置的上下金属板之间。试验电压1 V, 使电容器(200pF)充电, 然后利用转换开关经由电阻器(400K)对被试材料放电, 用美制TDS-680B ; 数字存储示波器通过电容探头记录下试验袋内感应的电压波形, 从波形上测量其感应的峰值电压。 被测试样由中国兵器工业总公司140厂阻隔材料包装袋生产分厂提供, 共5 种试样(A

23、. B.C.D.E)。此外, 试样C按三个不同尺寸(100mm150mm ，150mm200mm，250mm300mm)实验研究。 2.实验结果与分析实验结果与分析 2.1自制实验装置在金属基板接地和不接地情况下的实验结果 表表1 为实验结果。可以看出, 自制实验装置在实验基板接地与不接地的情况下, 试样内感应的电压差别很大。其原因是由于试验基板接地造成的影响。分析如下： 自制实验装置在试验基板不接地的情况下所测得的实验结果与美制ACL-500静电屏蔽表所测得的结果基本一致, 这说明自制实验装置可用于阻隔材料的屏蔽性能测试。 由图3 ，图4,可以看出, 两种情况下试样内感应的峰值电压相差近15

24、0v, 且从波形上明显看出, 在试验基板接地时, 干扰信号较大。2.2同种阻隔材料不同尺寸的试样其感应电压测同种阻隔材料不同尺寸的试样其感应电压测 试结果试结果 表2为测试结果。由表2可以看出, 只要电容探头离袋口的距离不变, 试样内感应的电压与试样尺寸大小稍有变化, 但变化不大。而美军标MIL-B-81705C及国军标GJB2605-96中规定的试样尺寸均为100mm 150mm，在实际应用过程中可以适当放宽对试样尺寸的要求, 且不至于引起较大的测试误差。3.实验结论实验结论 3.1 3.1 在测试过程中在测试过程中, , 为了克服因放电时在地线为了克服因放电时在地线上感应的信号引入到测试系

25、统中上感应的信号引入到测试系统中, , 保证测试结果的保证测试结果的准确性准确性, , 金属基板与示波器及放电电源不能向时接金属基板与示波器及放电电源不能向时接地。同时地。同时, , 为了保证所测试的结果具有可比性为了保证所测试的结果具有可比性, , 必必须保持电容探头离试样袋口相等的距离。须保持电容探头离试样袋口相等的距离。3.2 实验中发现, 试样尺寸大小对测试结果影响不太明显。也就是说, 在阻隔材料屏蔽性能测试中, 可以适当放宽美军标MIL-B-81705C及国军标GJB2605-96中规定的试样尺寸的要求, 提高军标的可操作性。静电屏蔽的意义静电屏蔽的意义实际意义：屏蔽使金属导体壳内的仪器实际意义：屏蔽使金属导体壳内的仪器或工作环境不受外部电场影响，也不对或工作环境不受外部电场影响，也不对外部电场产生影响。外部电场产生影响。理论意义：间接验证库仑定律。理论意义：间接验证库仑定律。课题总结课题总结1 加深对静电场应用的了解2 拓宽对静电屏蔽及其应用的认识3 了解放静屏蔽的材料测试方法参考文献1. 军械工程学院学报-阻隔材料静电屏蔽性能测试方法的实验研究(谭志良 刘尚合 陈砚桥 张卫平)2.科协论坛下半月2010年第12期3.静电屏蔽的原理级应用课件-段小庆4.电子元件技术网-静电屏蔽原理、静电屏蔽的意义、静电屏蔽的应用5.电磁场与电磁波杨儒贵 第二版谢谢观赏谢谢观赏