原创 【转】电磁干扰与电磁兼容浅谈2

2．物体带电与电场感应
    从原理上说，绝对不带电的物体是不存在的，任何物体都会不知不觉地就会带上电。每种物质都有一个代表自己性质的位能，两种不同性质的物体靠近在一起就会产生“接点电位差”。当两种不同性质的物体接触在一起时，这两种物质在其体内就要对电荷进行重新分布，使物体保持电中性，例如：P型半导体与N型半导体互相接触，在两物体的交界处就会产生PN结，在PN结内部会产生一个空间电荷区，这个空间电荷区的产生，必然要进一步使P型半导体和N型半导体——两个物体的内部都要对电荷进行重新分布。这时，如果再把两个物体分开，两个物体都将会带电，一个带正电，另一个带负电。
    物体带电，相当于自身的位能增加或降低了，若带电物体再次与其它不同性质的带电物体接触后又分开，两带电物体又会带上更多的电荷，即：位能在不断增加或降低，静电感应发电机就是根据这个原理制造的。
    在两个用有机玻璃材料做成的轮子，按等分距离把两种不同性质的条状金属片分别镶在两个有机玻璃轮子的表面之中，相当于金属片一面绝缘，一面暴露。然后，把两个镶有条状金属片的有机玻璃轮子的绝缘面互相靠在一起，并按相反方向转动，两个轮子上不同性质金属片将互相感应带电，同时也使两个有机玻璃轮子局部极化带电，两个有机玻璃轮子上的金属片每对上一次，通过静电感应，一个金属片的电位会继续升高，而另一个却要降低。这样，两边金属片上积累的电荷将越来越多，最后，可以分别用两个金属毛刷把金属片上积累的电荷收集到莱顿瓶中（用玻璃瓶做成的电容器），当莱顿瓶中积累的电荷达到一定的数量后，即：电压超过某个值后，莱顿瓶的两个电极开始放电，并产生火光及响声。
    图3是一个让物体产生高压电的原理图，在水龙头的下面安放一个用金属薄片制作的圆圈（用金属罐头盒改制），金属圆圈必须要与周围绝缘，然后让水龙头流出的水正好从金属圆圈的中央穿过，金属圆圈很快就会带电，并且电压非常高，一般可达一万伏以上。用试电笔做试验时，当试电笔离金属圆圈还很远的地方，就可以看到试电笔被点亮，甚至拿一个小荧光灯靠近，也可以看得到荧光灯微亮。这说明电压非常高，但对人体不存在被触电的危险，因为金属圆圈的电容量很小，存储的能量有限。
 
    这个原理与摩擦发电的原理是很接近的，首先是水与周围空气生产摩擦使空气带电（空气被电离成正、负离子，由于正离子比较重，很容易被水带走），然后带电空气会感应金属圆圈带电，或负离子直接与金属圆圈接触，使金属圆圈带负电。我们也会发现，在大瀑布附近的空气中负离子的浓度非常高，或下暴雨的时候，空气中负离子的浓度也很高，主要原因就是速度极高的流水或雨滴会让空气产生电离带电。
    冬天人们走在地毯上也经常会发现，当手突然碰到楼梯金属扶手的时候，会感到手被麻电，这也是因为人体穿的皮鞋与地毯摩擦产生带电，然后传到人的身体上。其实人体带电一般自己是没有感觉的，哪怕人体带上几万伏的电压，一般人体也没有感觉，只有带电人体与其它物体接触产生放电时才会感觉麻电。例如：在冬天没有灯光的夜里，人们脱尼龙衫或毛线衣的时候，会发现衣服之间有蓝色火光，并且还伴随着啪、啪、啪的放电声，这证明衣服已经带上非常高的电压。
    带电物体是具有能量的，即：电场具有能量。带电体的能量为：
  （6）
    上式中，C为带电体的电容，U为带电体的电位。带电体的能量属于位能，当要计算带电体的能量的时候，必须指出参考点，如果不特别指出，一般都把地球作为参考点，或把无限远处作为参考点，即：把地球作为零电位，或把无限远处作为零电位。把地球作为零电位比较方便，因为，我们所使用的一切物体都是来自地球，无论你怎样对它加工或运作，新产生的电荷总是在原有电荷的基础上进行叠加，所以不需要再用过问物体原来带的电荷是多少。带电物体的电容由下式求得：
  （7）
    上式中，电容C的单位为法拉，ε为介电常数（在真空中为1），S为带电物体与参照物体之间电力线互相照射的面积（与电场垂直，单位米2），在国际单位制中k = 9×10⁹牛顿·米²/库仑²，d为带电物体到参照物的有效距离（单位米）。
    实际上电场干扰，或电场感应，都是通过电容的工作原理进行的，电场对电子设备中其它电路的干扰，不但与电场强度有关，还与被干扰电路参考点的位置有关，以及带电物体的电容量有关。如果要精确计算某带电体对其它物体产生的电感应，就必须熟练地应用（6）式和（7）式来计算各个物体之间的电容。同一个带电体相对不同的其它物体，因为相对位置以及电场强度不同，其电容量也不同。知到了电容容量就可以计算电容的充放电过程，从而可以求出电压、电流、功率等各种参数。
    图4是带电物体对其它物体产生感应的原理图。图4中，A是带电物体，其电位为U₀，E表示电场强度或电场力线，Q₀为其带电量；带电物体A对物体B和物体C均会产生电场感应，U₁和U₂分别为物体B和物体C被物体A感应产生的对地电位；Q₁和Q₂分别为物体B和物体C被物体A感应产生的电荷量。带电物体A的电荷Q₀越多，其电位U₀就越高，并且其对物体B或物体C产生感应影响的力度就越大。
 
    因此，我们可以用电容来定义电荷与感应电压的关系，即：用电容表示单位电压感应产生的电量：
 （8）
    上式中，电容C的单位为法拉，电荷Q的单位为库仑，电压V的单位为伏特。
    设：物体B和物体C没受带电物体A感应之前，所带电荷以及对地电位均为零，则：电荷Q1和Q2，电压U1和U2都是由于带电物体A对物体B和物体C感应产生的电荷和电压；U0越高，感应产生的U1和U2对地电位就越高，以及电荷Q1和Q2就越多，由此可求得：
  （9）
  （10）
    上式中，V1 = U0 – U1 ，V2 = U0 – U2 ，C1和C2分别表示带电物体A对物体B和物体C产生电场感应互相影响的力度，电容容量越大，表示两者产生电场感应互相影响力度就越大。因此，这里我们还可以把（8）、（9）、（10）式中的电容C定义为电荷感应系数，与磁感应中的互感系数（或磁感应系数）M相互对应。由此可知，电容C不但可以表示一个带电物体存储电荷的多少，而且可以表示带电物体对其它物体产生影响的力度。
    在电子设备中，由于MOS电路的阻抗很大，而其电容非常小，因此，只要带电体产生很小能量的电荷转移，或静电感应，就能把MOS电路击穿。因此，在生产或调试含MOS电路的电子设备的时候，要注意静电感应和工作人员的身体不能带电。在没有采取任何措施的情况下，人体一般都带有几十伏甚至数百伏的静电电压，当人手触及还没有接入电路中的IC时，很容易会把IC击穿。对还没有使用的IC保存或者包装也要注意静电感应，最好把IC保存在金属盒或具有防止静电感应的塑料盒内。防静电感应塑料一般都是在塑料中混入导电物质。

3．电磁感应与干扰
    任何导体，只要有电流通过，在它的周围就会产生磁场，磁场又会对周围的导体产生感应，并产生感应电动势，因此导体中的电流同样也会对其它物体产生磁感应干扰。
    我们知道电感L可以表示为：单位电流产生的磁通，即：
 （11）
    上式中，L为电感，单位为亨利，φ为磁通量，单位为韦伯，I为电流，单位为安培。
    但（11）式中要直接测量磁通量φ是非常困难的，在工程应用中一般都通过测量自感电动势的方法来测量电感量：即：当每秒钟流过电感线圈的电流为1安培，而电感线圈产生的自感电动势为1伏时，则电感线圈的电感量为1亨利。因此，电感量也被称为自感系数。由此，上面（11）式又可以表示为：
e = L·di/dt （12）
或
e = dφ/dt （13）
以及 e = SdB/dt （14）
（14）式中S是磁通穿过的面积，B为磁感应密度，这里假设磁感应密度为均匀分布，但实际上是不可能的，但这里并不影响我们后面对问题的分析。
    一般来说，恒定的电场或磁场对电路或电器设备造成的干扰是不会很大的。“干扰”这个词的本意就是指，对某个正处于稳定工作状态的系统产生不良的影响，因此，对电路或电器设备造成严重干扰的，主要是不断变化着的电场或磁场。
即：
i = C·dv/dt （15）
e = M·di/dt （16）
    显然（15）式中，i是表示干扰电流，C为电容，或电荷感应系数，dv/dt为电压变化率；（16）式中，e是表示干扰电动势，M为磁互感系数，或磁感应系数，di/dt为电流变化率。
    磁互感系数或磁感应系数M，表示流过某个电感L或导体中的电流所产生的磁场对另一个电感或电路产生影响的力度。如果我们把电感L称为电感器与电容器C进行对应的话，那么，磁互感系数或磁感应系数M同样也可以与电荷感应系数C进行对应，可惜人们很少把电容器C与电荷感应系数C分别进行理解。
    图5是交变磁场产生互相感应（简称互感）的工作原理图。图5中L0为产生磁力线的电感线圈，即：正在通电的线圈，它产生的磁力线一部分穿过磁感应线圈L1，使磁感应线圈L1产生感应电动势e1，e1 = M1·di/dt；同时，L0产生的另一部分磁力线也在穿越印制板线路L2，使印制板线路L2产生感应电动势e2，e2 = M2·di/dt。显然，感应电动势e1和e2都不是我们进行电路设计时所希望产生的，因此，把它们称为干扰电动势，或称为干扰信号。电子设备中，大部分干扰信号都是这样产生的。