1．一個讓人膽戰心驚的星球

電磁干擾對人類危害最大的，實際上還是我們居住的地球，其中雷電干擾對人類的生活危害最大。雷電不但對人類的生存造成很大的威脅，對樹木、森林、房屋、建筑，以及電器設備都會造成很大的損害和破壞。

根據統計，地球每一秒鐘就有100多次閃電，每次閃電產生的能量可供一個100瓦的燈泡點亮3個月；在雨季，平均每6分鐘就有一個人被雷電擊中；每年有成千上萬的人因雷電擊中而喪傷，還有大片的森林因雷電擊中而起火燒毀，雷電還經常使高壓電網、以及通信出現故障，使城市供電和通信中斷，引起城市交通失控出現混亂；連英國的白金漢宮也曾遭受過雷電嚴重破壞，上個世紀50年代，白金漢宮就是因一塊窗簾布被雷電擊中而起火燃燒；上海電視臺平均每年要遭受33次大的雷擊，每次雷擊都會使電子設備遭受不同程度的損壞；1992年6月22日，北京國家氣象中心多臺計算機接口因感應雷擊被毀，損失二仟多萬元；1992年8月23日，贛州市60%的有線電視和50%閉路電視遭受過雷擊，其中91臺電視機因感應雷擊而毀于一旦；2006年6月9日，南韓一架大型客機在空中遭受雷擊，頭部解體脫落，幸好沒有人員傷亡。

很多人都不清楚，地球也是一個帶電體。根據實驗測試，在地球表面存在一個垂直向下的穩定電場，電場強度E約為100伏/米，場強的大小隨高度的增加而減弱。另外，根據實驗測試，在地面附近大氣的電導率σ0約為3×10-14西蒙/米，且隨高度的增加而增加。由此可知地球表面的電流密度j的方向指向地心，大小為： 
 

故從大氣流向地球表面的總電流強度I為： 
 

R為地球的半徑，取6?×105米，由此可求出I的值約為1.4×103A。根據： 
 

可求出地球表面的電位約為4×105V。

這里說的帶電，嚴格來說是帶電體相對于無限遠處的電位差，或物體的電位中性而言。人們在進行理論分析的時候，都是把無限遠處定義為零電位，但在實際應用中，人們已習慣于把地球當成零電位，這對于一般的實際應用，并不會造成很大的影響，但這種假設有時也會阻礙我們的視野。

任何帶電物體都可以看成是一個電容，電容量C=Q/U，Q為帶電物體的電荷量，U為帶電物體的電位，即指帶電物體到無限遠處的電位差。因此，地球也可以看成是一個大容量的電容，其電容量正好為1法拉。

這里說的電容與電容器是有區別的，電容器一般都由兩塊中間以介質絕緣的極板組成，當電容器被充電的時候，兩塊極板帶的電荷量相等，但符號相反，在電容器兩極板所帶的電荷不改變的條件下，兩塊極板之間的電壓，可因電容器兩極板之間的距離改變而改變，其電容量的大小也會跟著兩極板之間的距離改變而改變，這是因為兩極板之間電場互相作用的緣故。

而這里所指的電容，其電容量是不會因帶電物體的位置改變而改變的。因此，這里說的電容是相對于一個孤立帶電物體而言，不受其它電場所影響，而電容器則是相對于兩個或兩個以上帶電物體而言，電容大小要受兩個或兩個以上極板產生的電場互相影響。另外，電容充放電是不需要回路的，兩個帶電體互相接觸，誰的電位高，誰就要放電，誰的電位低，誰就會被充電，而電容器充放電必須要有一個閉合回路。

實際上，地球不但是個電容(相對于無限遠處)，并且地球還相當于電容器的一個電極，電容器的另一個電極是電離層，而大氣層就是電介質，如圖1所示。 
 

地球帶電的原因，一個是由于地球作為一個冷星球長年都在接收大量帶電宇宙射線微粒子的輻射，另一個是外層空間紫外線對空氣照射產生電離層，并對地球表面產生感應，以及熱氣流互相摩擦帶電而產生感應等等。根據基爾克夫定理：流過任何導體電流的代數和都等于零，即： 

根據上式結果，地球不但有電流流入，而且也應該有電流流出，那么流出地球的電流到哪里去了呢？

前面已經指出，地球平均每一秒鐘有100多次閃電，而閃電也是一個放電過程，由此可知，原來每秒中流進地球1.4×103安培的電流就是用來打雷放電的。如果地球不經常打雷放電，試想，地球電位正好是每秒要增加1.4×103伏特，一小時后地球電位就可以增加到500多萬伏，一天之后地球電位又會增加到12000多萬伏，這是一個多么巨大的數字，在此電場強度之下，任何東西都可能會被擊穿。所以，地球時時刻刻都在放電才應該是正常的。

防止雷電的最有效方法就是靜電屏蔽，例如，高壓電網為了避免雷擊，除了電線塔的高度要求比高壓電網線的高度高之外，在高壓電網線的最上面還要設置一根屏蔽線，這根屏蔽線通過電線塔與大地連接。當遇到打雷時，屏蔽線首先與雷電接觸，把產生雷電物體(云)的電荷通過屏蔽線，再經電線塔傳入大地而被釋放掉。避雷針也是這個道理，在物體的高處安裝針狀導體，并把它連接到大地，把空中帶電物體(云)的電荷通過避雷針放電引入大地，以降低帶電物體(云)對其它物體或人體感應產生放電的機會。還有，在高速公路兩旁安裝電線竿也是一種保護人類免遭雷擊的有效方法。

除了屏蔽可以防止雷擊以外，很多貴重電器設備還需要對雷電感應進行保護，因為，當雷電擊中某個建筑物的機房，或某個供電設備的時候，瞬間幾十萬安培以上的電流通過這些建筑物或設備，也會對周圍幾十米范圍內的電器設備產生電磁感應，使周圍的電線或設備，不管是否與雷擊物體直接接觸或不接觸，都會通過電磁感應產生高壓脈沖，很容易把電器設備中的電子器件擊穿損壞。因此，對那些與長電纜線連接的設備，如：電話機、傳真機、電視機等，對它們進行過壓保護還是必要的。目前，避免電器設備遭受雷擊或雷電感應產生高壓脈沖擊穿損壞的最有效的方法，還是用放電管和壓敏電阻。

對于交流供電系統設備的防雷，一般都是用壓敏電阻跨接于電源線與地線之間，用于對雷電感應高壓電脈沖進行放電，避免設備被高壓電脈沖擊穿損壞；而小電器設備或器件防雷電擊穿損壞，可選用放電管或壓敏二極管，也可以選用壓敏電阻等跨接于輸入線與大地之間，例如，一般家中的電話插座以及有線電視插座內部都應該連接一個或兩個放電管到大地。放電管的工作原理是在玻璃管或陶瓷管中注入惰性氣體，惰性氣體平時不導電，當電場強度強到一定的時候，惰性氣體開始電離導電；壓敏二極管和壓敏電阻的工作原理與穩壓管的工作原理很接近，平時也不導電，當電壓超過一定值后，壓敏二極管或壓敏電阻就擊穿導通，不過這種擊穿是可以恢復的。

圖2是電視機防雷擊電路，圖中防雷擊電路是在PCB電路板上直接制作放電間隙(6mm)裝置，在外接天線端口就近與電網輸入引線之間加接這種放電間隙裝置。由于電視機本身沒有金屬機殼或機殼接地電氣連接點，所以防雷放電間隙可直接利用電網輸入電源引線代替地線使用。

另外，電視機的安全標準要求冷熱地之間的耐壓強度大于AC2000V，而絕緣距離要求大于6mm，選用其它放電器件反而難以符合安全要求，并且會提高成本。因為在正常氣壓下，每1萬伏的正常放電距離正好是10mm，因此，2000伏的正常放電距離是2mm，而取3倍安全系數后正好就是6mm。圖2中，電視機防雷擊電路制作成鋸齒狀的原因，是讓高壓放電更容易發生，因為電極的尖端處電場強度最強，當尖端放電產生后，周圍空氣將變成導體，使放電更容易進行，這樣，在很短時間內就可以把電放完。 

2．物體帶電與電場感應

從原理上說，絕對不帶電的物體是不存在的，任何物體都會不知不覺地就會帶上電。每種物質都有一個代表自己性質的位能，兩種不同性質的物體靠近在一起就會產生“接點電位差”。當兩種不同性質的物體接觸在一起時，這兩種物質在其體內就要對電荷進行重新分布，使物體保持電中性，例如：P型半導體與N型半導體互相接觸，在兩物體的交界處就會產生PN結，在PN結內部會產生一個空間電荷區，這個空間電荷區的產生，必然要進一步使P型半導體和N型半導體——兩個物體的內部都要對電荷進行重新分布。這時，如果再把兩個物體分開，兩個物體都將會帶電，一個帶正電，另一個帶負電。

物體帶電，相當于自身的位能增加或降低了，若帶電物體再次與其它不同性質的帶電物體接觸后又分開，兩帶電物體又會帶上更多的電荷，即：位能在不斷增加或降低，靜電感應發電機就是根據這個原理制造的。

在兩個用有機玻璃材料做成的輪子上，按等分距離把兩種不同性質的條狀金屬片，分別鑲在兩個有機玻璃輪子某一則的表面之中，相當于金屬片一面絕緣，一面暴露。然后，把兩個鑲有條狀金屬片的有機玻璃輪子的絕緣面互相靠在一起，并按相反方向轉動，兩個輪子上不同性質金屬片將互相感應帶電，同時也使兩個有機玻璃輪子局部極化帶電，兩個有機玻璃輪子上的金屬片每對上一次，通過靜電感應，一個金屬片的電位會繼續升高，而另一個卻要降低。這樣，兩邊金屬片上積累的電荷將越來越多，最后，可以分別用兩個金屬毛刷把金屬片上積累的電荷收集到萊頓瓶中(用玻璃瓶做成的電容器)，當萊頓瓶中積累的電荷達到一定的數量后，即：電壓超過某個值后，萊頓瓶的兩個電極開始放電，并產生火光及響聲。

圖3是一個讓物體產生高壓電的原理圖，在水龍頭的下面安放一個用金屬薄片制作的圓圈(用金屬罐頭盒改制)，金屬圓圈必須要與周圍絕緣，然后讓水龍頭流出的水正好從金屬圓圈的中央穿過，金屬圓圈很快就會帶電，并且電壓非常高，一般可達一萬伏以上。用試電筆做試驗時，當試電筆離金屬圓圈還很遠的地方，就可以看到試電筆被點亮，甚至拿一個小熒光燈靠近，也可以看得到熒光燈微亮。這說明電壓非常高，但對人體不存在被觸電的危險，因為金屬圓圈的電容量很小，存儲的能量有限。 

這個原理與摩擦發電的原理是很接近的，首先是水與周圍空氣生產摩擦使空氣帶電(空氣被電離成正、負離子，由于正離子比較重，很容易被水帶走)，然后帶電空氣會感應金屬圓圈帶電，或負離子直接與金屬圓圈接觸，使金屬圓圈帶負電。我們也會發現，在大瀑布附近的空氣中負離子的濃度非常高，或下暴雨的時候，空氣中負離子的濃度也很高，主要原因就是速度極高的流水或雨滴會讓空氣產生電離帶電。

冬天人們走在地毯上也經常會發現，當手突然碰到樓梯金屬扶手的時候，會感到手被麻電，這也是因為人體穿的皮鞋與地毯摩擦產生帶電，然后傳到人的身體上。其實人體帶電一般自己是沒有感覺的，哪怕人體帶上幾萬伏的電壓，一般人體也沒有感覺，只有帶電人體與其它物體接觸產生放電時才會感覺麻電。例如：在冬天沒有燈光的夜里，人們脫尼龍衫或毛線衣的時候，會發現衣服之間有藍色火光，并且還伴隨著啪、啪、啪的放電聲，這證明衣服已經帶上非常高的電壓。

帶電物體是具有能量的，即：電場具有能量。帶電體的能量為： 

上式中，C為帶電體的電容，U為帶電體的電位。帶電體的能量屬于位能，當要計算帶電體的能量的時候，必須指出參考點，如果不特別指出，一般都把地球作為參考點，或把無限遠處作為參考點，即：把地球作為零電位，或把無限遠處作為零電位。把地球作為零電位比較方便，因為，我們所使用的一切物體都是來自地球，無論你怎樣對它加工或運作，新產生的電荷總是在原有電荷的基礎上進行疊加，所以不需要再用過問物體原來帶的電荷是多少。帶電物體的電容由下式求得： 
 

上式中，電容C的單位為法拉，ε為介電常數(在真空中為1)，S為帶電物體與參照物體之間電力線互相照射的面積(與電場垂直，單位平方米)，在國際單位制中k=9×109牛頓•平方米/庫侖，d為帶電物體到參照物的有效距離(單位米)。

實際上電場干擾，或電場感應，都是通過電容的工作原理進行的，電場對電子設備中其它電路的干擾，不但與電場強度有關，還與被干擾電路參考點的位置有關，以及帶電物體的電容量有關。如果要精確計算某帶電體對其它物體產生的電感應，就必須熟練地應用上面兩個式子來計算各個物體之間的電容。同一個帶電體相對不同的其它物體，因為相對位置以及電場強度不同，其電容量也不同。知道了電容容量就可以計算電容的充放電過程，從而可以求出電壓、電流、功率等各種參數。

圖4是帶電物體對其它物體產生感應的原理圖。圖4中，A是帶電物體，其電位為U0，E表示電場強度或電場力線，Q0為其帶電量；帶電物體A對物體B和物體C均會產生電場感應，U1和U2分別為物體B和物體C被物體A感應產生的對地電位；Q1和Q2分別為物體B和物體C被物體A感應產生的電荷量。帶電物體A的電荷Q0越多，其電位U0就越高，并且其對物體B或物體C產生感應影響的力度就越大。 

因此，我們可以用電容來定義電荷與感應電壓的關系，即用電容表示單位電壓感應產生的電量為：C=Q/V其中，電容C的單位為法拉，電荷Q的單位為庫侖，電壓V的單位為伏特。設：物體B和物體C沒受帶電物體A感應之前，所帶電荷以及對地電位均為零，則：電荷Q1和Q2，電壓U1和U2都是由于帶電物體A對物體B和物體C感應產生的電荷和電壓；U0越高，感應產生的U1和U2對地電位就越高，以及電荷Q1和Q2就越多，由此可求得： 
 

上式中，V1=U0-U1 ，V2=U0-U2 ，C1和C2分別表示帶電物體A對物體B和物體C產生電場感應互相影響的力度，電容容量越大，表示兩者產生電場感應互相影響力度就越大。因此，這里我們還可以把上面三式中的電容C定義為電荷感應系數，與磁感應中的互感系數(或磁感應系數)M相互對應。由此可知，電容C不但可以表示一個帶電物體存儲電荷的多少，而且可以表示帶電物體對其它物體產生影響的力度。

在電子設備中，由于MOS電路的阻抗很大，而其電容非常小，因此，只要帶電體產生很小能量的電荷轉移，或靜電感應，就能把MOS電路擊穿。因此，在生產或調試含MOS電路的電子設備的時候，要注意靜電感應和工作人員的身體不能帶電。在沒有采取任何措施的情況下，人體一般都帶有幾十伏甚至數百伏的靜電電壓，當人手觸及還沒有接入電路中的IC時，很容易會把IC擊穿。對還沒有使用的IC保存或者包裝也要注意靜電感應，最好把IC保存在金屬盒或具有防止靜電感應的塑料盒內。防靜電感應塑料一般都是在塑料中混入導電物質。

3．電磁感應與干擾

任何導體，只要有電流通過，在它的周圍就會產生磁場，磁場又會對周圍的導體產生感應，并產生感應電動勢，因此導體中的電流同樣也會對其它物體產生磁感應干擾。我們知道電感L可以表示為：單位電流產生的磁通，即： 
 

上式中，L為電感，單位為亨利，為磁通量，單位為韋伯，I為電流，單位為安培。但該式中要直接測量磁通量是非常困難的，在工程應用中一般都通過測量自感電動勢的方法來測量電感量：即：當每秒鐘流過電感線圈的電流為1安培，而電感線圈產生的自感電動勢為1伏時，則電感線圈的電感量為1亨利。因此，電感量也被稱為自感系數。由此，上式又可以表示為： 
 

或 
 

以及 
 

式中S是磁通穿過的面積，B為磁感應密度，這里假設磁感應密度為均勻分布，但實際上是不可能的，但這里并不影響我們后面對問題的分析。

一般來說，恒定的電場或磁場對電路或電器設備造成的干擾是不會很大的。“干擾”這個詞的本意就是指，對某個正處于穩定工作狀態的系統產生不良的影響，因此，對電路或電器設備造成嚴重干擾的，主要是不斷變化著的電場或磁場。即： 
 

式中，i是表示干擾電流，C為電容，或電荷感應系數，dv/dt為電壓變化率；e是表示干擾電動勢，M為磁互感系數，或磁感應系數，di/dt為電流變化率。

磁互感系數或磁感應系數M，表示流過某個電感L或導體中的電流所產生的磁場對另一個電感或電路產生影響的力度。如果我們把電感L稱為電感器與電容器C進行對應的話，那么，磁互感系數或磁感應系數M同樣也可以與電荷感應系數C進行對應，可惜人們很少把電容器C與電荷感應系數C分別進行理解。

圖5是交變磁場產生互相感應(簡稱互感)的工作原理圖。圖5中L0為產生磁力線的電感線圈，即：正在通電的線圈，它產生的磁力線一部分穿過磁感應線圈L1，使磁感應線圈L1產生感應電動勢e1，e1=M1*di/dt；同時，L0產生的另一部分磁力線也在穿越印制板線路L2，使印制板線路L2產生感應電動勢e2，e2=M2*di/dt。顯然，感應電動勢e1和e2都不是我們進行電路設計時所希望產生的，因此，把它們稱為干擾電動勢，或稱為干擾信號。電子設備中，大部分干擾信號都是這樣產生的。