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4-第2章1有导体时的静电场详解.ppt 49页
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接地空腔导体将使外部空间不受空腔内的电场影响.
问：空间各部分的电场强度如何分布 ？ 接地导体电势为零
2　屏蔽腔内电场 + + + + + + + + 静电场中的导体
“接地”的直观解释是：壳外壁的感应电荷全部沿接地线流入大地，壳外壁无电荷分布，故壳外空间无电场。 接地导体壳有效的屏蔽了内电场。 由于静电感应使壳的外表面带上感应电荷，而感应电荷在腔内产生的电场抵消了外电场，使壳内空间的合场强为零. 为了使仪器不受外电场的影响，可将它用导体壳罩起来 为了使某带电体不影响周围空间， 也可用导体壳将它罩起来 为除去导体壳外表面上因感应而出现的同号电荷，可将导体“接地”，使这部分电荷泄放给大地。 * 静电场中的导体
静电场中的导体
有一外半径
R1和内半径 R2 的金属球壳，在球壳内放一半径 R3 的同心金属球，若使球壳和金属球均带有 q的正电荷，问 两球体上的电荷如何分布？球心的电势为多少？ 解
根据静电平衡的条件求电荷分布 作球形高斯面S2 作球形高斯面S1 静电场中的导体
∴金属球内部无电荷 根据静电平衡条件 球壳内表面带有感应－q 作球形高斯面S3 * 静电场中的导体
由电荷守恒定律，及电荷分布在导体表面，球壳外表面有感应电荷＋q 作球形高斯面S4 球心的电势： 球心O的电势相当于三个球壳的电势之和
两个薄金属同心球壳，半径各为R1和R2
R1 ，分别带有电荷q1和q2，二者电势分别为U1和U2 设无穷远处为电势零点 ，现用导线将二球壳联起来，则它们的电势为
思考 * * 小 结
导体静电平衡时的性质 （3）导体外部表面的电力线场处处与表面垂直。 （2）导体内部电场处处为零； （1）导体是等势体,导体表面是等势面； 导体上的电荷分布 1.导体体内处处不带（净）电荷 2.电荷分布在导体表面； 3.内部带电体的空腔，其内表面不带电，感应电荷分布在外表面。 4.内部有带电体的空腔，其内表面感应出等量异号电荷，外表面感应出等量同号电荷。 * 作 业 2.1.3；2.2.1；2.2.2； 2.2.3；2.2.5 * 静电场中的导体
例：已知导体球壳 A 带电量为Q ，导体球 B 带电量为q ，求
将A 接地后再断开，电荷和电势的分布；
再将 B 接地，电荷和电势的分布。 解： （1）A 接地时，A与地球看作一个导体，电势相等。 A上的电荷重新分布。设内表面带电荷为 q’，外表面电荷设为 q’ 作球形同心高斯面，如图： 由 及静电平衡条件： E＝0
得： 由于A球壳接地，外表面电荷 -q * A r R1 R2 B A与地断开后, 由孤立导体电荷守恒，得：
静电场中的导体
B接地时，B与地球为一等势体，电势为零；B上的电量重新分布，设为 即： A为处于电场中的导体，由静电平衡条件 三个球面的电势叠加 B 接地， ；B 球内一点的电势 * 总结
有导体存在时静电场的计算方法 1. 静电平衡的条件和性质:
2. 孤立导体的电荷守恒 3. 确定电荷分布,然后求解 静电场中的导体
解得： A r R1 R2 B 由半径为R，带电量为Q的球壳的电势分布 *
1．如图，一带正电荷的物体M，靠近一不带电的金属导体N，N的左端感应出负电荷，右端感应出正电荷. 若将N的左端接地，则 （A）N上的电荷不动． （B）N上的正电荷入地． （C）N上的负电荷入地． （D）N上的所有电荷都入地． 导体N接地,其电势为零,只有保留负感应电荷,由负电荷产生的电势与带正电的M产生的电势叠加才可能出现零值. 强化练习： 静电场中的导体
* 2、证明：对于两个无限大带电平板导体来说： （1）相向的两面上，电荷面密度总是大小相等符号相反； （2）相背的两面上，电荷面密度总是大小相等符号相同。
证明： （1）由静电场中导体的性质知：电荷分布于表面， 导体表面为等势面，导体表面外一点 。 平板导体所带电荷分布于表面，因为无限大，所以均匀分布，设1、2、3、4面分别带电荷面密度分别为 。 选取如图的高斯面，有（由高斯高理）：
静电场中的导体
（2）在导体内任取一点P（任意的） ∵
如果P点在导体外，如图中的P′点，则 如果P点在导体外，如图中的
静电场中的导体
设有一电荷面密度为?0 0的均匀带电大平面，在它附近平行地放置一块不带电的相同大小的厚金属板。求: ⑴厚金属板两面的电荷分布； ⑵如果把金属板接地，金属板两面的电荷又将如何分布？ 解： ?0 ?1 ?2 P 解之得 ⑴求厚金属板两面的电荷分布： 静电场中的导体
金属板原来不带电，由电荷守恒，有 由静电平衡条件，金
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一未带电的空腔导体球壳,内半径为R,在腔内离球心d处(d小于R)有一点电荷+q,把球壳接地后又不接地,求球心的电势?球壳对球心电势为,U球=-kq/R,+q对球心电势为,U1=kq/d,由电势叠加原理可得U=U球+U1..我一直没搞明白,球壳对球心的电势为什么为-kq/R,球壳上的电荷不均匀分布 ,这个是怎么得出来的?怎么算出来的?
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画出图,球壳有厚度,内外带电不接地时：球壳内层感应出等量异种电荷-q（不均匀分布,因为内部电场线疏密不均匀）,因为原先不带电,所以球壳外层带+q电荷（均匀分布,因为内部有等量异种电荷相互抵消,无电场线从球壳内穿出到球壳外（球壳是金属,等电势,故无电场线穿出,不对外部有影响）,所以可以忽视内空腔及球壳,视整体为一个带+q的导体球）接地后：球壳外层电荷入地（整体上来说,不带电了）,球壳内层依旧带不均匀-q（内环境没有改变）.球壳电势为零.又不接地时：什么都不改变,内外环境互不影响,（球壳等势体,无无电场线窜出,所以不影响）研究电势：球心电势由两部分组成对球壳内层-q 研究：取极微元-dq研究,球心电势
@=-k*dq/R（等于两点电荷之间电势）
积分,因为R不变,任意微元都是-kq/R,得：@=-kq/R对球内+q ：点电荷@=kq/d叠加：@总=kq/d-kq/R对于球壳内层-q在空腔内任意位置电场电势还可以借助像电荷研究
在电场线较密一侧球壳外找到一 -q ‘点电荷（像电荷,虚拟）（位置：在球心,+q两点直线上,距球心s>R）.使此-q’与+q之间的电场线,与球壳内壁-q与+q之间的电场线（指球壳内部电场线,因为所求效果是内部的）一样（点电荷-q‘等效替代不均匀分布-q）.接下来求出-q’ 和s
,对于-q对内部的作用力,就可以转化为球体外一点电荷对内部作用力.
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布线系统屏蔽层与接地的检测(含图)
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《综合布线系统工程设计规范（GB ）》中（3.5）规定了屏蔽布线的使用条件，并强调“应保持屏蔽层的连续性（3.5.4）。”相应地，在工程验收规范（GB ）中，“电缆屏蔽层连通情况”是每条电缆的必测项目。问题在于：由于数据电缆屏蔽层是编织网（或编织网＋铝箔）结构，单纯测试连通性只能查出屏蔽层导体完全断裂的情况，无法检测出部分缺损、部分开路、虚接、严重变形等缺陷。本文通过对目前布线工程中常用仪表功能的分析，提出几种“定量测试”布线系统屏蔽层连通性的方法，希望能对提高屏蔽布线系统工程质量有所帮助。一、&& &万用表与钳形地阻仪1.1万用表常规（模拟或数字）万用表电阻档即可测量布线系统屏蔽层直流电阻。确认配线架一侧的线缆屏蔽层已可靠端接后，在工作区用表笔分别接触2个RJ45插口的屏蔽罩，仪表读数即两条电缆屏蔽层直流电阻之和。但如果两个信息插座间距超出万用表测试线长度，则需延长测试线，操作不便；电阻过大时无法确认高阻点具体位置。1.2钳形地阻仪虽然仪表被称为“地阻仪”，但对于任何形成闭合回路的导体，它都能对其阻抗（采用交流信号进行测试，“导体阻抗”较“导体电阻”更准确。）进行测量，其测试方法又称为“电压注入，电流检出法”。仪表外观如图1.1a，其内部结构如图1.1b。仪表钳口由2个线圈构成，电压线圈（CT1）采用电磁感应方式向回路注入交变电压V（61-920输出电压频率约2400Hz）。回路中即相应地产生交变电流I。钳口另一个线圈（CT2）能测量到此电流，通过计算即可确定回路阻抗Rx。由于被测导体必须是闭合回路，所以测试布线系统屏蔽层阻抗前，需用屏蔽跳线将工作区两插座屏蔽罩短接（图1.2），使两条水平布线屏蔽层连通。屏蔽层构成闭合回路后，将仪表套接在可触及到的线缆或短接跳线上，即可测出阻抗值，如果忽略跳线屏蔽层阻抗及接口处接触电阻，则测量读数近似两条水平布线屏蔽层阻抗之和。与使用万用表测试类似，信息插座间距会影响测试的可操作性。二、&& &时域反射2.1工作原理综合布线认证测试仪都有“时域反射（TDR）”功能，能协助定位线路中故障点位置。其工作原理如图2.1：在成对导体中传输的单个电脉冲信号，遇到阻抗波动点就会产生回波反射。计算回波信号出现的时间，即可定位开路、短路或阻抗异常点的位置，其原理类似雷达找飞机，只不过仪表在导体中注入和接收的是电脉冲，而不是超声波。2.2 测试屏蔽电缆传输阻抗时域反射测试必须在一对有阻抗关系的导体中进行，因此必须将屏蔽双绞线全部线芯或其中之一当作1根导体，屏蔽层作为另1根导体进行测试，实际测试的是屏蔽电缆的传输阻抗。图2.2是时域反射测试的典型结果，代表屏蔽层与线芯间的阻抗特性的变化，虽然不能得到屏蔽层阻值，但能看出屏蔽层的均匀性。图线的凸起与陷落都反映出屏蔽层状态，理论上，屏蔽层部分破损、受外应力过大等“软故障”都能从图线上看到。
三、&& &估测屏蔽隔离度屏蔽隔离度（或称耦合衰减）是描述屏蔽层性能较准确的指标，问题在于只有在实验室条件下才能进行此类测试。没有适合工程安装现场使用的仪表，并不意味着施工现场没有“估测”屏蔽隔离度的办法。相关标准在6A类布线中增加了“线外串扰”测试，虽然从布线认证测试角度讲，屏蔽布线系统不需要测试“线外串扰”，但如果将此测试方法用于屏蔽布线，尽管不是严格意义上的，而其测试结果实际反映的是“屏蔽隔离度”指标，因此可用于估测屏蔽层性能。以IDEAL公司LANTEK测试仪为例，测试“线外串扰”有3种方式（图3.1），可得到表3.1中所列电气指标。表3.1不同测试方法所能得到的电气指标四、&& &屏蔽与接地阻抗联合测试4.1屏蔽布线系统接地方式想发挥屏蔽布线抗干扰优势，除保证屏蔽层连续性外还要保证屏蔽层良好接地。屏蔽布线中，线缆屏蔽层一端在配线间通过配线设备接地，另一端在工作区通过终端设备与电源保护地相连，构成完整接地。《综合布线系统工程设计规范（GB ）》对涉及接地做法的7.0.6条文说明中规定：“为了保证全程屏蔽效果，终端设备的屏蔽金属罩可通过相应的方式与TN-S系统的PE线接地。”相应地，6.1.2中规定：“1.每1个工作区至少应配置1个220V交流电源插座。2.工作区的电源插座应选用带保护接地的单相电源插座，保护地与零线应严格分开。”4.2 TN-S配电系统与电源插座接线所谓TN-S系统，是低压配电的一种形式（图4.1），系统中的中性线（零线N）与保护地线（PE线）只有1个公共点，其它部分是严格分开的。中性线承载用电设备功率电流；保护地线作等电位连接，是故障电流或干扰电流的泻放通路，正常情况下不带电。工作区电源插座接线应满足《GB5建筑电气工程施工质量验收规范》强制条款，此标准22.1.2中规定：“……单相三孔插座的右孔与相线连接，左孔与零线连接；……接地（PE）线接在上孔”（图4.2）。4.3 电源保护地的测试由于工作区接地涉及强电，在进行屏蔽与接地阻抗联合测试前，有必要先对电源插座接线进行测试，排除地线带电、地线开路、零/地反接、地线接触不良等故障，确保人员和设备安全，同时为后续测试做好准备。特别对保护地线，如果能对其阻抗进行定量测试，则对屏蔽布线系统的接地效果评判有重要意义。图4.3所示仪表，能完成对电源插座内导体阻抗的测试（图4.4）。需要说明一点，61-164CN在测量保护地（PE）线阻抗时，需在地线上施加测试电流。如果被测线路中装有漏电保护器，则有可能触发其动作，因此测量前需暂时将保护装置断开或旁路，否则无法得到准确阻抗数据。&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&& 4.4屏蔽层与接地联合测试4.4.1安装终端设备前现场测试屏蔽与接地确认电源插座接线无误后，用万用表电阻档直接测试信息插座屏蔽罩和电源插座保护地线（PE线）间电阻（图4.5）。4.4.2 安装终端设备后测试屏蔽与接地装有屏蔽网卡的终端设备，需通过屏蔽跳线接入屏蔽布线系统，并通过3芯电源线与TN-S供电系统相连。如图4.6所示，使用钳形地阻仪在跳线或设备电源线上进行测试。此测试方法能较准确地得到屏蔽系统接地电阻（阻抗）数值，当测试结果不合格时，需采用相应手段进行故障定位，并加以排除。
五、测试方法比较序号测试方法测试项目测试位置测试条件优点缺点1万用表屏蔽层直流电阻工作区两相邻信息插座屏蔽罩直接测试仪表简单1.工作区插座间距影响测试可操作性2结果为两条线缆屏蔽层直流电阻之和3.不能定位故障点2钳形地阻仪屏蔽层阻抗配线架或工作区处外露电缆需用屏蔽跳线短接两工作区插座屏蔽罩交流信号测试阻抗1.工作区插座间距影响测试可操作性2结果为两条线缆屏蔽层、跳线屏蔽层、屏蔽罩接触电阻之和3.不能定位故障点3时域反射屏蔽层与线芯间阻抗均匀性线缆两端短接线芯后测试1.准确反映屏蔽层均匀性2.定位故障点1.屏蔽层与线芯间阻抗，并非屏蔽层阻抗2.需制作连接适配器（短接线芯）3.起点和终点数据不准4线外串扰屏蔽隔离度线缆两端直接测试反映屏蔽效果1.仪表昂贵、操作复杂，测试时间长2.实际布线中，线缆并非全程密集平行布放，测试结果不完全反映屏蔽效果3.不能定位故障点5屏蔽层-接地联合测试屏蔽层-接地电阻（阻抗）工作区确认电源插座接线正确后，直接测试1.真实反映屏蔽层-接地情况2.能分别得到屏蔽层和电源接地保护线阻抗数据3.检查了电源情况不能定位故障点通过对比可知：没有单一仪表或单一方法，能完全解决屏蔽布线工程中屏蔽层量化测试与故障定位问题。兼顾可操作性、便捷性、测试成本、测试时间等因素，推荐使用“屏蔽层-接地联合测试”法进行工程质量检查，当发现电阻（阻抗）异常时，对弱电系统采用“时域反射”进行故障定位，对强电系统采用电路分析仪排查故障点，从而最大程度地确保屏蔽布线网络的工程质量。参考文献：《GB 综合布线系统工程设计规范》《GB 综合布线系统工程验收规范》《GB/T2建筑物电气装置 第5部分：电气设备的选择和安装 第548节：信息技术装置的接地配置和等电位联结》《GB/T 2建筑物电气装置 第4部分：安全防护 第44章：过电压保护 第444节：建筑物电气装置电磁干扰（EMI)防护》《JGJ16-2008民用建筑电气设计标准》《DB11/146.8-2002 建筑及住宅小区智能化工程检测验收规范 第8部分 电源与接地》《GB 电气装置安装工程 接地装置施工及验收规范》
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