法拉第笼原理

比亚迪汽车遭遇三次雷击后，车身仍然保持完好无损，内部系统正常运转，乘客平安无事，这是由于法拉第笼(Faraday Cage)原理造成的。

基本概念

法拉第笼是一种由良导体（通常是金属网或金属壳）制成的封闭或半封闭空间。它的主要作用是 屏蔽电场和电磁波，从而保护内部的电子设备或生物体不受外界电磁干扰。

工作原理

它的核心原理来自 静电学 和 电磁学：

1. 静电平衡

   • 当一个导体整体处于静电平衡时，导体内部的电场强度为零。
   • 外部电荷在导体表面重新分布，使得内部电荷产生的电场刚好抵消外部电场。

   因此，笼子内部不受外部静电场影响。数学上可用高斯定律解释：

   $${\oint }_S\mathbf{E}\cdot d\mathbf{A}=\frac{Q_{\text{in}}}{{\epsilon }_0}$$

   如果笼子是闭合导体，且内部无净电荷（$Q_{\text{in}}=0$），则内部电场 $\mathbf{E}=0$。

2. 电磁波屏蔽

   • 外部的电磁波作用到金属时，会在金属中激发感应电流。

   • 这些电流产生的电磁场会抵消电磁波在金属内部的传播。

   • 电磁波的衰减程度与金属的厚度和电导率有关，用“趋肤效应”来描述：

     $$\delta =\sqrt{\frac{2}{\mu \sigma \omega }}$$

     • $\delta$：趋肤深度
     • $\mu$：磁导率
     • $\sigma$：电导率
     • $\omega$：角频率

   • 高频电磁波只会在导体表面的一层很薄区域传播，进入深层会被快速衰减。

实际应用

• 实验室/数据中心：隔绝外部电磁干扰，保证精密仪器稳定运行。
• 汽车/飞机机舱：车体/机舱就是一个天然的法拉第笼，可以在雷雨天气里保护乘客（雷击电流沿外壳走，不进到内部）。
• 手机信号屏蔽袋：防止手机信号泄漏或被监测。
• MRI 机房：墙壁和门上有金属网，防止外界无线信号干扰成像。

总结

法拉第笼的核心原理就是导体会重新分布电荷，以抵消内部电场，再加上金属的趋肤效应削弱高频电磁波，因此能有效屏蔽电场和电磁波。