□ H14年08月期 B-01  Code:[HA0203] : 静電遮へいの原理を、中空の導体の中に入れた電荷で説明
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2021年
04/28 04月期問題頁掲載
04/28 12月期問題頁掲載
2020年
11/04 09月期問題頁掲載
H1408B01 Counter
無線工学 > 1アマ > H14年08月期 > B-01
B-01 次の記述は、電気に関する遮へいについて述べたものである。[ ]内に入れるべき字句を下の番号から選べ。
(1) 図に示すように、正に帯電している物体aを中空の導体bで包むと、bの内面には[ア]の電荷が現れ、bの外側の表面には[イ]の電荷が現れる。この現象を[ウ]という。 問題図 H1408B01a
Fig.H1408B01a
(2) 次に、スイッチSを閉じて導体bを接地すると、bの外側の表面の電荷は消滅し、bの外側の電界は[エ]となる。これを[オ]という。
誘電分極 静電誘導
静電遮へい 磁気遮へい 自己誘導 電磁誘導 10 2倍

 この問題で取り上げられている静電遮蔽(シールド)は、pAまで測れる微小電流計等では非常に重要な技術です。

[1]静電シールドの原理

 帯電しているものが近くにあると、それに「誘導」されて、帯電しては困るものの表面が帯電してしまいます。これを防ぐために、静電シールド(遮蔽)を設けるわけですが、その原理が分かって使わないと、効果が出ないことがあります。
Fig.HA0203_a 静電シールド
Fig.HA0203_a
静電シールド
 静電気現象は、静電誘導(導体の場合)または分極(誘電体の場合)というわけですが、電子回路を設計する場合、特に高インピーダンスで静電ノイズを拾いやすいセンサ周りの回路等では、この誘導で生じる静電気は大敵です。
 そこで、金属又は導電体でできた「静電シールド(遮蔽)」というシールドを採用するわけですが、これがその原理です。
 問題文に沿って考えて行くと、SがOFFの状態では、bの内面に負の電荷が現れ、外面には正の電荷が現れます(Fig.HA0203_a左)。この現象が「静電誘導」です。この状態では、このbの外側に置いた物体に、また静電誘導や分極が起こって帯電してしまいます。
 そこで、SをONにしてこの導体bを接地してしまいます(Fig.HA0203_a右)。すると、bの表面にあった電荷はグランドに逃げてしまい、bの外側には電界がなくなってしまいます。では、bの内側の電荷は逃げないのか?という疑問も湧きます。でも、内側の電荷はaの電荷に引っ張られていますから、「逃げられない」というわけです。bの外側に電荷がなくなってしまったので、周囲に置いた物体が帯電するということはなくなります。

[2]静電シールドを効果的に使う方法

 このシールド方法でのポイントは、bが「導体(完全導体でなくてもよい)」でなければならないことと、bが接地されていなければならない、という点です。導体でないと、外側の表面に生じた電荷は接地しても逃げませんし、接地しないとFig.HA0203_a左の状態ですから、シールドになりません。
 なお、この「静電シールド」は静電気の遮蔽には有効ですが、高周波や磁力線には別のシールド方法が必要です。つまり、静電シールドを施したにもかかわらず、トラブルがやまないのであれば、それは何か原因が別のところ(高周波なら電界か、低周波なら磁力線など)にあると考えた方が良い、ということです

それでは、解答に移ります。
 …aが正に帯電しているなら、bの内側は3負に帯電します
 …bの外側には、内側と逆で等量の1正の電荷が現れます
 …上記のような現象は、bが導体なので5静電誘導と呼びます
 …bを接地してしまうと、その外側の電界は2零となります
 …このような遮蔽(シールド)方法を6静電遮へいといいます
となります。