电磁干扰与电磁兼容

1．一个让人胆战心惊的星球
电磁干扰对人类危害最大的，实际上还是我们居住的地球，其中雷电干扰对人类的生活危害最大。雷电不但对人类的生存造成很大的威胁，对树木、森林、房屋、建筑，以及电器设备都会造成很大的损害和破坏。
根据统计，地球每一秒钟就有100多次闪电，每次闪电产生的能量可供一个100瓦的灯泡点亮3个月；在雨季，平均每6分钟就有一个人被雷电击中；每年有成千上万的人因雷电击中而丧伤，还有大片的森林因雷电击中而起火烧毁，雷电还经常使高压电网、以及通信出现故障，使城市供电和通信中断，引起城市交通失控出现混乱；连英国的白金汉宫也曾遭受过雷电严重破坏，上个世纪50年代，白金汉宫就是因一块窗帘布被雷电击中而起火燃烧；上海电视台平均每年要遭受33次大的雷击，每次雷击都会使电子设备遭受不同程度的损坏；1992年6月22日，北京国家气象中心多台计算机接口因感应雷击被毁，损失二仟多万元；1992年8月23日，赣州市60%的有线电视和50%闭路电视遭受过雷击，其中91台电视机因感应雷击而毁于一旦；2006年6月9日，南韩一架大型客机在空中遭受雷击，头部解体脱落，幸好没有人员伤亡。
很多人都不清楚，地球也是一个带电体。根据实验测试，在地球表面存在一个垂直向下的稳定电场，电场强度E约为100伏/米，场强的大小随高度的增加而减弱。另外，根据实验测试，在地面附近大气的电导率σ0约为3×10-14西蒙/米，且随高度的增加而增加。由此可知地球表面的电流密度j的方向指向地心，大小为：

故从大气流向地球表面的总电流强度I为：

R为地球的半径，取6?×105米，由此可求出I的值约为1.4×103A。根据：

可求出地球表面的电位约为4×105V。
这里说的带电，严格来说是带电体相对于无限远处的电位差，或物体的电位中性而言。人们在进行理论分析的时候，都是把无限远处定义为零电位，但在实际应用中，人们已习惯于把地球当成零电位，这对于一般的实际应用，并不会造成很大的影响，但这种假设有时也会阻碍我们的视野。
任何带电物体都可以看成是一个电容，电容量C=Q/U，Q为带电物体的电荷量，U为带电物体的电位，即指带电物体到无限远处的电位差。因此，地球也可以看成是一个大容量的电容，其电容量正好为1法拉。
这里说的电容与电容器是有区别的，电容器一般都由两块中间以介质绝缘的极板组成，当电容器被充电的时候，两块极板带的电荷量相等，但符号相反，在电容器两极板所带的电荷不改变的条件下，两块极板之间的电压，可因电容器两极板之间的距离改变而改变，其电容量的大小也会跟着两极板之间的距离改变而改变，这是因为两极板之间电场互相作用的缘故。
而这里所指的电容，其电容量是不会因带电物体的位置改变而改变的。因此，这里说的电容是相对于一个孤立带电物体而言，不受其它电场所影响，而电容器则是相对于两个或两个以上带电物体而言，电容大小要受两个或两个以上极板产生的电场互相影响。另外，电容充放电是不需要回路的，两个带电体互相接触，谁的电位高，谁就要放电，谁的电位低，谁就会被充电，而电容器充放电必须要有一个闭合回路。
实际上，地球不但是个电容(相对于无限远处)，并且地球还相当于电容器的一个电极，电容器的另一个电极是电离层，而大气层就是电介质，如图1所示。


地球带电的原因，一个是由于地球作为一个冷星球长年都在接收大量带电宇宙射线微粒子的辐射，另一个是外层空间紫外线对空气照射产生电离层，并对地球表面产生感应，以及热气流互相摩擦带电而产生感应等等。根据基尔克夫定理：流过任何导体电流的代数和都等于零，即：


根据上式结果，地球不但有电流流入，而且也应该有电流流出，那么流出地球的电流到哪里去了呢？
前面已经指出，地球平均每一秒钟有100多次闪电，而闪电也是一个放电过程，由此可知，原来每秒中流进地球1.4×103安培的电流就是用来打雷放电的。如果地球不经常打雷放电，试想，地球电位正好是每秒要增加1.4×103伏特，一小时后地球电位就可以增加到500多万伏，一天之后地球电位又会增加到12000多万伏，这是一个多么巨大的数字，在此电场强度之下，任何东西都可能会被击穿。所以，地球时时刻刻都在放电才应该是正常的。
防止雷电的最有效方法就是静电屏蔽，例如，高压电网为了避免雷击，除了电线塔的高度要求比高压电网线的高度高之外，在高压电网线的最上面还要设置一根屏蔽线，这根屏蔽线通过电线塔与大地连接。当遇到打雷时，屏蔽线首先与雷电接触，把产生雷电物体(云)的电荷通过屏蔽线，再经电线塔传入大地而被释放掉。避雷针也是这个道理，在物体的高处安装针状导体，并把它连接到大地，把空中带电物体(云)的电荷通过避雷针放电引入大地，以降低带电物体(云)对其它物体或人体感应产生放电的机会。还有，在高速公路两旁安装电线竿也是一种保护人类免遭雷击的有效方法。
除了屏蔽可以防止雷击以外，很多贵重电器设备还需要对雷电感应进行保护，因为，当雷电击中某个建筑物的机房，或某个供电设备的时候，瞬间几十万安培以上的电流通过这些建筑物或设备，也会对周围几十米范围内的电器设备产生电磁感应，使周围的电线或设备，不管是否与雷击物体直接接触或不接触，都会通过电磁感应产生高压脉冲，很容易把电器设备中的电子器件击穿损坏。因此，对那些与长电缆线连接的设备，如：电话机、传真机、电视机等，对它们进行过压保护还是必要的。目前，避免电器设备遭受雷击或雷电感应产生高压脉冲击穿损坏的最有效的方法，还是用放电管和压敏电阻。
对于交流供电系统设备的防雷，一般都是用压敏电阻跨接于电源线与地线之间，用于对雷电感应高压电脉冲进行放电，避免设备被高压电脉冲击穿损坏；而小电器设备或器件防雷电击穿损坏，可选用放电管或压敏二极管，也可以选用压敏电阻等跨接于输入线与大地之间，例如，一般家中的电话插座以及有线电视插座内部都应该连接一个或两个放电管到大地。放电管的工作原理是在玻璃管或陶瓷管中注入惰性气体，惰性气体平时不导电，当电场强度强到一定的时候，惰性气体开始电离导电；压敏二极管和压敏电阻的工作原理与稳压管的工作原理很接近，平时也不导电，当电压超过一定值后，压敏二极管或压敏电阻就击穿导通，不过这种击穿是可以恢复的。
图2是电视机防雷击电路，图中防雷击电路是在PCB电路板上直接制作放电间隙(6mm)装置，在外接天线端口就近与电网输入引线之间加接这种放电间隙装置。由于电视机本身没有金属机壳或机壳接地电气连接点，所以防雷放电间隙可直接利用电网输入电源引线代替地线使用。
另外，电视机的安全标准要求冷热地之间的耐压强度大于AC2000V，而绝缘距离要求大于6mm，选用其它放电器件反而难以符合安全要求，并且会提高成本。因为在正常气压下，每1万伏的正常放电距离正好是10mm，因此，2000伏的正常放电距离是2mm，而取3倍安全系数后正好就是6mm。图2中，电视机防雷击电路制作成锯齿状的原因，是让高压放电更容易发生，因为电极的尖端处电场强度最强，当尖端放电产生后，周围空气将变成导体，使放电更容易进行，这样，在很短时间内就可以把电放完。