ケーブルのシールド

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ケーブルのシールドは接地せずに浮いたままでも効果があるのだろうか

まず、シールドされたケーブル(同軸ケーブル等)でシングルエンド伝送する場合に外部の電場がどうなるかを考える。

シールド導体が浮いていると外部にも電場ができる。なぜなら、シールド導体の内壁には芯線の正電荷+qによって負電荷-qが誘導されるが、導体全体では電荷0なので外壁に正電荷+qが誘導され、これが外部に電場を作る。ここでおもしろいのは、内部の芯線が偏っていると内壁の電荷分布は変わるが、外壁の電荷分布には影響しないので外部の電場は変わらない。つまりシールドによって外部から内部の電荷分布は見えなくなる。

シールド導体を接地すると外部の電場は消える。なぜなら、外壁とGNDプレーンの電位差が無くなるからである。

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にシールドされたツイストペア(Shield Twisted Pair)で差動伝送する場合に外部の電場がどうなるかを考える。

ツイストペアが完全に平衡な差動伝送をしていればシールド導体が浮いていても外部には電場はできない。なぜなら芯線の電荷の和が(+q)+(-q)=0なので内壁に誘導される電荷の合計も0になる。このとき外壁に誘導される電荷は0になるから外部には電場はできない。もし差動伝送にコモンモードが含まれていればシングルエンド伝送のときと同様に、シールドを接地しないと外部に電場が漏れる。

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今度は逆に、シールドケーブルの外部に電場がある場合に内部の電場がどうなるかを考える。

外壁にはΦ(導体表面) = 一定となるように電荷が分布する。内壁の方もΦ(導体表面) = 一定であるが、内部空間に電荷がないので

ΔΦ(内部空間) = 0

したがってΦ(内部空間)=一定すなわちシールドの中には電場は存在しない。ここでシールド導体の電位は任意なので、シールドは接地していなくてもいい。

以上をまとめると、

(1) シールドケーブルの内部の電荷の和が0(例えば差動モード)ならば外部に電場は漏れない

(2) シールドケーブルの内部の電荷の和が0でなければ(コモンモードが含まれる)ならば、シールドを接地しないと外部で電場が漏れる

(3) 外部の電場はシールドが接地されているいないにかかわらず内部に入ってこない

したがって、例えば

・シングルエンド伝送している同軸ケーブルとワイヤ間ではクロストークは起きない

・ケーブルにアルミフォイルを巻けば外部からのノイズの影響を防げる

ということになるが、現実のケーブルのシールド導体は隙間があり抵抗も0ではないので、TEM波を仮定した上記の結論は近似的と考えた方がいいかもしれない。


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