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陶顯芳老師談電磁干擾與電磁兼容(一)

發(fā)布時(shí)間:2009-02-16

中心議題:
  • 電磁干擾的危害
  • 電磁干擾產(chǎn)生原因

一、電磁干擾無(wú)處不在
1、一個(gè)讓人膽戰(zhàn)心驚的星球
電磁干擾對(duì)人類(lèi)危害最大的,實(shí)際上還是我們居住的地球,其中雷電干擾對(duì)人類(lèi)的生活危害最大。雷電不但對(duì)人類(lèi)的生存造成很大的威脅,對(duì)樹(shù)木、森林、房屋、建筑,以及電器設(shè)備都會(huì)造成很大的損害和破壞。

根據(jù)統(tǒng)計(jì),地球每一秒鐘就有100多次閃電,每次閃電產(chǎn)生的能量可供一個(gè)100瓦的燈泡點(diǎn)亮3個(gè)月;在雨季,平均每6分鐘就有一個(gè)人被雷電擊中;每年有成千上萬(wàn)的人因雷電擊中而喪傷,還有大片的森林因雷電擊中而起火燒毀,雷電還經(jīng)常使高壓電網(wǎng)、以及通信出現(xiàn)故障,使城市供電和通信中斷,引起城市交通失控出現(xiàn)混亂;連英國(guó)的白金漢宮也曾遭受過(guò)雷電嚴(yán)重破壞,上個(gè)世紀(jì)50年代,白金漢宮就是因一塊窗簾布被雷電擊中而起火燃燒;上海電視臺(tái)平均每年要遭受33次大的雷擊,每次雷擊都會(huì)使電子設(shè)備遭受不同程度的損壞;1992年6月22日,北京國(guó)家氣象中心多臺(tái)計(jì)算機(jī)接口因感應(yīng)雷擊被毀,損失二仟多萬(wàn)元;1992年8月23日,贛州市60%的有線電視和50%閉路電視遭受過(guò)雷擊,其中91臺(tái)電視機(jī)因感應(yīng)雷擊而毀于一旦;2006年6月9日,南韓一架大型客機(jī)在空中遭受雷擊,頭部解體脫落,幸好沒(méi)有人員傷亡。

很多人都不清楚,地球也是一個(gè)帶電體。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,在地球表面存在一個(gè)垂直向下的穩(wěn)定電場(chǎng),電場(chǎng)強(qiáng)度E約為100伏/米,場(chǎng)強(qiáng)的大小隨高度的增加而減弱。另外,根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,在地面附近大氣的電導(dǎo)率σ0約為3×10-14西蒙/米,且隨高度的增加而增加。由此可知地球表面的電流密度j的方向指向地心,大小為:



這里說(shuō)的帶電,嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是帶電體相對(duì)于無(wú)限遠(yuǎn)處的電位差,或物體的電位中性而言。人們?cè)谶M(jìn)行理論分析的時(shí)候,都是把無(wú)限遠(yuǎn)處定義為零電位,但在實(shí)際應(yīng)用中,人們已習(xí)慣于把地球當(dāng)成零電位,這對(duì)于一般的實(shí)際應(yīng)用,并不會(huì)造成很大的影響,但這種假設(shè)有時(shí)也會(huì)阻礙我們的視野。

任何帶電物體都可以看成是一個(gè)電容,電容量C = Q/U,Q為帶電物體的電荷量,U為帶電物體的電位,即指帶電物體到無(wú)限遠(yuǎn)處的電位差。因此,地球也可以看成是一個(gè)大容量的電容,其電容量正好為1法拉。

這里說(shuō)的電容與電容器是有區(qū)別的,電容器一般都由兩塊中間以介質(zhì)絕緣的極板組成,當(dāng)電容器被充電的時(shí)候,兩塊極板帶的電荷量相等,但符號(hào)相反,在電容器兩極板所帶的電荷不改變的條件下,兩塊極板之間的電壓,可因電容器兩極板之間的距離改變而改變,其電容量的大小也會(huì)跟著兩極板之間的距離改變而改變,這是因?yàn)閮蓸O板之間電場(chǎng)互相作用的緣故。

而這里所指的電容,其電容量是不會(huì)因帶電物體的位置改變而改變的。因此,這里說(shuō)的電容是相對(duì)于一個(gè)孤立帶電物體而言,不受其它電場(chǎng)所影響,而電容器則是相對(duì)于兩個(gè)或兩個(gè)以上帶電物體而言,電容大小要受兩個(gè)或兩個(gè)以上極板產(chǎn)生的電場(chǎng)互相影響。另外,電容充放電是不需要回路的,兩個(gè)帶電體互相接觸,誰(shuí)的電位高,誰(shuí)就要放電,誰(shuí)的電位低,誰(shuí)就會(huì)被充電,而電容器充放電必須要有一個(gè)閉合回路。

實(shí)際上,地球不但是個(gè)電容(相對(duì)于無(wú)限遠(yuǎn)處),并且地球還相當(dāng)于電容器的一個(gè)電極,電容器的另一個(gè)電極是電離層,而大氣層就是電介質(zhì),如圖1所示。

地球帶電的原因,一個(gè)是由于地球作為一個(gè)冷星球長(zhǎng)年都在接收大量帶電宇宙射線微粒子的輻射,另一個(gè)是外層空間紫外線對(duì)空氣照射產(chǎn)生電離層,并對(duì)地球表面產(chǎn)生感應(yīng),以及熱氣流互相摩擦帶電而產(chǎn)生感應(yīng)等等。

根據(jù)基爾霍夫定理:流過(guò)任何導(dǎo)體電流的代數(shù)和都等于零,即:



根據(jù)(5)式結(jié)果,地球不但有電流流入,而且也應(yīng)該有電流流出,那么流出地球的電流到哪里去了呢?

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