法拉第笼原理及其应用
法拉第笼构造及原理
法拉第笼是一个由金属或者良导体形成的笼子，是以电磁学的奠基人、英国物理学家迈克尔·法拉第的姓氏命名的一种用于演示等电势、静电屏蔽和高压带电作业原理的设备。它是由笼体、高压电源、电压显示器和控制部分组成。其笼体与大地连通，高压电源通过限流电阻将直流高压输送给放电杆，当放电杆尖端距笼体较近时，出现放电火花，根据接地导体静电平衡的条件，笼体是一个等位体，内部电势为零，电场为零，电荷分布在接近放电杆的外表面上。
导体的外壳对它的内部起到“保护”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。如果将导体放在电场强度为E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一电场，电场强度为E内。根据场强叠加原理，导体内的电场强度等于E外和E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静电平衡。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表面上。而法拉第笼就是根据这个原理制成的。
法拉第笼原理的应用
高压带电操作员的防护服是用金属丝制成的，当接触高压线时，形成了等电位，使得作业人员的身体没有电流通过，起到了很好的保护作用。
要想让一个教室、一个考场在电子通信的角度上“与世隔绝”，是可以做到的，目前各种通信工具都是用电磁波或者说无线电波来传递信号，我们只要像法拉第笼子一样给教室电磁屏蔽就可以达到目标，目前大型考试中，教室里都已经安装了屏蔽系统，防止考生利用电子产品作弊现象的发生。
高层建筑很容易被雷击，对人体产生较大危害，而利用法拉第笼的原理制成的笼式避雷网可以有效地较少雷击对人体造成的危害。比如国家体育场“鸟巢”，其主体钢结构中的钢构件以及钢筋混凝土中的钢筋，通过焊接方式进行有效连接，这样“鸟巢”自身就形成了一个巨大的避雷网，而“鸟巢”的钢结构就成为了一个巨大的接收闪电的装置，能把闪电迅速导入地下，从而保障了场内观众的安全。
大型法拉第笼
【实验目的】了解接地金属壳静电感应是的电荷分布及电位特点；认识经典屏蔽的原理
【操作方法】
1、 参与实验者进入法拉第笼，关好笼门；
2、 打开高压电源，将高压探棒靠近法拉第笼；
3、 调节电位器，逐渐调高电压到探棒与笼身发生放电，打出电弧，观察此时的电压；
4、 实验者在笼内将手放在打出电弧的位置，不会有触电的感觉；
5、 调低电压后关闭电源，用探棒对法拉第笼充分放电；
6、 打开笼门，实验者走出法拉第笼。
【注意事项】
1、 实验进行期间，实验者不可打开笼门，观众不可擅自靠近法拉第笼和高压探棒；
2、 务必在关闭电源后，用探棒对法拉第笼充分放电，实验者方可打开法拉第笼门。
【实验原理】
笼体与大地相连，高压电源通过限流电阻将上万伏直流电压输送给探棒，当高压棒尖端靠近笼体时，法拉第笼发生静电感应。根据导体静电平衡条件，感应电荷分布在笼的外表面，靠近电压棒处电荷密度大，周围电场强，笼的外表面与高压棒之间放电。根据接地导体静电平衡的条件，笼体是一个等位体，内部电位为零，电场为零，电荷分布在接近放电杆的外表面上。法拉第笼无论被加上多高的电压内部也不存在电场。而且由于金属的导电性，即使笼子通过很大的电流，内部的物体通过的电流也微乎其微。在面对电磁波时，可以有效的阻止电磁波的进入。
法拉第笼是一个理想环境，是建立在空间的一个大屏蔽网络。将其接地后，第一，它可以屏蔽雷电产生的电磁脉冲，防止里面的弱电设备和人员遭受损伤；第二，它可以把强大的感应电荷泄入大地。
【原理应用】
1、 高压作业人员带电工作时，可通过穿着用金属丝制成的防护服。当接触高压线时，形成了等电位，使得作业人员的身体没有电流通过，起到了很好的保护作用。
2、 汽车就是一个法拉第笼，由于汽车外壳是个大金属壳，形成了一个等位体，当驾驶员在雷雨天行驶时，车里的人不用担心遭到雷击。
3、 将精密仪器设备的金属外壳接地，有效地避免了不必要的电磁干扰以及雷电袭击。
【实验思考】
1、 法拉第笼的演示还说明了外壳接地的法拉第笼可有效地隔绝笼体内外电磁波干扰从而起到静电屏蔽作用。
2、 即使住在法拉第笼子里，也不能完全避免电磁辐射。法拉第笼不能屏蔽静电和低速变化的磁场，比如地磁，在法拉第笼里，指南针照样能工作。因而不可能完全避免电磁辐射。
“鸟笼”演示静电屏蔽 实验报告
实验背景：
法拉第曾经冒着被电击的危险，做了一个闻名于世的实验——法拉第笼实验。法拉第把自己关在金属笼内，当笼外发生强大的静电放电时，他并未受到任何影响。在使用大的法拉第笼时，金属笼上接高压电，外部接地导体接触笼壁时可以观察到电火花，而笼内的人没有感觉；用小型法拉第笼（鸟笼）实验时，可以观察到通电鸟笼外部的纸条飘起，而内部的纸条并没有明显变化。
实验原理：
本实验运用了静电屏蔽原理：导体的外壳对它的内部起到“保护”作用，使它的内部不受外部电场的影响。
因为在电场中，电子会因电场力而运动。而在静电平衡状态中的导体内部电场处处为0.由此可知处于静电平衡的导体，其净电荷只能分布在导体外表面。这样，导体外表面对其内部起到保护作用，使其不受电场影响。因此，在大型法拉第笼通电时，电荷分布在笼子的外表面，用接地导体触碰时可以看到电火花，而内部的人没有感到电流存在；小笼的外部布满电荷，纸条因带电而飘起，内部的纸条却没有此现象。
实验应用
1. 电工穿的均压服，就是在衣服中编织入金属丝，将人和衣服看成同一物体，则金属
丝就相当于导体的外壳，在工人进行高压带电作业时，对人体起到保护作用。
2. 有些电子仪器的工作条件要求非常高，要杜绝外部电场影响，就可以将其放入法拉
第笼中对其进行电场屏蔽，消除外部电场对其影响。
3. 在一些高磁场、高电场环境中工作的人，为了保证身体健康，可以穿编入金属丝的
衣服，以减轻环境中的电磁场对身体影响。