для чего нужна клетка фарадея
Клетка Фарадея
Великий английский ученый Майкл Фарадей известен всему миру, как первооткрыватель электромагнитной индукции, изобретатель электродвигателя, трансформатора и многих других устройств, не потерявших своей актуальности до настоящего времени. Одно из них, изобретенное еще в середине 19 века, известно, как клетка Фарадея.
Устройство и принцип работы
Данное устройство получило свое название в связи с тем, что для первых экспериментов была использована металлическая клетка, материал которой отличался высокой электропроводностью. Такая конфигурация сохранилась и до настоящего времени. Толщина используемого материала делает клетку настолько мощной и эффективной, насколько это необходимо в каждом конкретном случае. На эти показатели влияет соотношение размера ячейки к длине волны внешнего поля.
Принцип действия устройства и ее эффект довольно простой. При попадании клетки под действие электрического поля, начинается движение свободных электронов внутри ее металлических конструкций. Они начинают собираться вместе, образуя определенную конфигурацию. В противоположных стенках конструкции образуются разноименные заряды, под действием которых создается новое поле с направлением, противоположным внешнему полю.
Это вновь образованное поле образует противодействие внешним электромагнитным полям и компенсирует их влияние. В результате, внутри клетки нет каких-либо электрических полей или шумов. Иногда клетка фарадея как накопитель энергии рассматривается чисто теоретически, поскольку электричество не задерживается в конструкции на длительный срок.
Для проверки этих физических явлений нужно взять два электроскопа и поместить один из них внутри, а другой – снаружи клетки. Соответственно, первый прибор ничего не покажет, а второй – зафиксирует наличие электрических зарядов. Данная проверка необходима, если потребуется сделать устройство своими руками.
В отличие от электрического, постоянное магнитное поле практически беспрепятственно проникает внутрь клетки. Переменное магнитное поле не может проникнуть сюда таким же образом, поскольку оно просто не успевает возникнуть из-за экранирования клеткой переменного электрического поля. Следовательно, клетка Фарадея может защитить от любых внешних воздействий – электрических и электромагнитных.
Применение клетки Фарадея
Принцип работы клетки лежит в основе конструкции многих защитных устройств. Например, высокочастотные электромагнитные волны, в зависимости от размеров ячеек, частично отражаются от клетки, а во многих случаях просто затухают в толщине металла. Данный эффект вызывает индуцирование вихревых токов, которые в дальнейшем рассеиваются и выделяются в виде тепла.
Экранирующая функция клетки зависит от толщины металла, глубины поверхностного слоя, размеров ячейки и ее соотношение с длиной внешней волны. Различные кабели экранируются по принципу клетки Фарадея, а в их конструкции используются материалы с хорошей проводимостью. Для повышения эффективности таких систем, размеры ячеек в них делаются значительно меньше длины волны, от которой защищает экран.
Принцип действия клетки широко используется в современных микроволновых печах. Дверцы микроволновок оборудованы металлической сеткой с мелкими ячейками, значительно меньшими, чем длина волны магнетрона. Практически все микроволновки работают на частоте 2450 МГц, а длина волны немного превышает 12 см. Отсюда следует, что сетка, установленная на дверце, легко экранирует внутреннее излучение и не выпускает его наружу.
Функции остальных сторон клетки в микроволновке выполняет металлическая камера, где помещается разогреваемая пища. Если внутрь выключенной печи поместить мобильный телефон, то он станет недоступен для сети, так как длина волн GSM больше волн магнетрона. Поэтому они и не могут преодолеть защитный эффект микроволнового устройства.
Для работ с высоковольтными линиями электропередачи разработаны различные виды защитных металлических костюмов, в которых также использован принцип работы клетки Фарадея. Материалом для них служат тонкие волокна из меди или нержавеющей стали. Эти костюмы обеспечивают надежную защиту, поскольку даже отключенная линия передачи электроэнергии, имеющая большую протяженность, способна накапливать статические заряды, опасные для жизни и здоровья людей. Металлическая ткань серебристого цвета эффективно нейтрализует вредное воздействие электромагнитных полей любых высоковольтных установок.
Благодаря таким комплектам, вокруг человеческого тела образуется замкнутое экранированное пространство, через которое не могут проникнуть внутрь любые электрические поля. Для всех элементов одежды использованы материалы, проводящие электричество. Они соединены между собой каналами повышенной проводимости, а на выводах установлены электропроводящие контакты. По такой защите токи безопасно стекают и уходят в землю.
Самостоятельное изготовление устройства
Изготовить клетку Фарадея своими руками из наиболее подходящих предметов довольно просто. Иногда можно заранее рассчитать устройство под известную заранее длину волны. Это можно сделать вручную или использовать специальный онлайн-калькулятор, в который вводятся необходимые исходные данные. После выполнения расчета можно выбирать наиболее подходящую конструкцию.
Само устройство возможно сделать из уже готовой клетки. Самое главное, чтобы размеры ячеек соответствовали расчетным данным. При ее отсутствии подойдут любые предметы, имеющие герметичный корпус, а также проводящий слой снаружи и непроводящий внутри. Внутреннюю диэлектрическую часть при ее отсутствии можно сделать из картона, дерева, бумаги и других аналогичных материалов.
В другом случае при изготовлении клетки своими руками берется предмет, изготовленный из диэлектрика, который оборачивается фольгой или другими проводящими материалами. Защитный эффект во всех случаях будет один и тот же.
Клетка Фарадея. Работа и применение. История и особенности
Клетка Фарадея или «щит Фарадея» — это замкнутое пространство для предотвращения прохождения электромагнитных полей. Клетка изготавливается из токопроводящего сплошного материала или токопроводящей сетки, обычно ее еще и заземляют. Названа она так по имени английского ученого Майкла Фарадея, изобретшего ее в 1836 году.
История открытия
В 1836 году Фарадей заметил, что избыточный заряд на заряженном проводнике локализуется лишь на его внешней стороне и не оказывает никакого влияния на предметы внутри. Для демонстрации этого факта он оборудовал комнату, покрытую металлической пленкой, и подавал на внешнюю сторону комнаты высоковольтный заряд от электростатического генератора.
Для доказательства отсутствия электрических зарядов на внутренних сторонах стен комнаты Фарадей использовал электроскоп. Электроскоп внутри комнаты, либо при подсоединении его к внутренней поверхности, фиксировал отсутствие заряда, в то время как у электроскопа, подсоединенного к наружной поверхности, листочки расходились.
Для демонстрации эффекта выталкивания поля в клетку помещались небольшие животные. При подведении к ней мощного электрического заряда от электростатического генератора, заряд не причинял животным никакого вреда, поскольку стекал по ее поверхности.
Хотя проявление этого эффекта было приписано знаменитому эксперименту с цилиндром Фарадея (или «ведерком со льдом»), проведенном Майклом Фарадеем в 1843 году, наблюдал феномен еще в 1755 году американский ученый Бенджамин Франклин. Опыт заключался в том, что Франклин опускал подвешенный на шелковой нити незаряженный пробковый шарик через отверстие в заряженную металлическую банку. По его словам, «пробка не притягивалась к внутренним стенкам банки, как она притягивалась к наружным. Хотя пробка была опущена до дна банки, по вытаскиванию из нее она оказалась незаряженной вследствие касания, что наблюдалось, когда пробка касалась наружной стороны банки». Этот эффект также был открыт задолго до Фарадея итальянским физиком Джованни Батиста Беккариа.
Принцип действия
Принцип действия клетки заключается в том, что внешнее электрическое поле приводит к перераспределению свободных электронов в токопроводящем материале клетки таким образом, что противоположные стороны клетки заряжаются. Их поле компенсирует внешнее поле, и внутри поле отсутствует. Этот принцип лучше всего понимается, если клетку представить идеальным полым проводником. Перераспределение зарядов вызывает в проводнике электрический ток, который прекращается, когда внешнее электрическое поле компенсируется.
Экранирующее действие замкнутых металлических оболочек было теоретически предсказано в 1813 году французским математиком и физиком Симеоном Дени Пуассоном. Позднее, в 1828 году, английским математиком и физиком Джорджем Грином. Предсказание ученых основывалось на том, что внутри замкнутой металлической оболочки электрический потенциал постоянен, следовательно, напряженность электрического поля равна нулю, что и является доказательством ее экранирующих свойств.
Клетка Фарадея не в состоянии оградить внутреннее пространство от постоянного либо медленно меняющегося магнитного поля, например, поля земного магнетизма (компас внутри клетки продолжает правильно показывать на Север). Но, поскольку переменное магнитное поле создается переменным электрическим полем, а переменное электрическое поле в клетку не проникает, то не проникает в нее и переменное магнитное поле. Следовательно, клетка защищает находящиеся в ней объекты (и человека) от действия электромагнитных волн. Для экранирования высокочастотного излучения размер ячейки клетки должен быть меньше длины волны излучения.
Эффективность экранирования статического электрического поля зависит от формы токопроводящего материала. В случае изменяющегося электрического поля, и при наличии сопутствующего изменяющегося магнитного поля, чем быстрее эти изменения (т.е. чем выше частота), тем лучше материал сопротивляется проникновению поля. С другой стороны, с повышением частоты поле лучше проникает через сетку с заданным размером ячеек. В этом случае экранирование зависит от электрической проводимости материала клетки, а также его толщины.
Если заряд помещается внутри незаземленной клетки, ее внутренняя поверхность заряжается (аналогично описанному выше процессу с внешним зарядом). Клетка Фарадея блокирует исходящие из нее электромагнитные волны в меньшей степени, чем входящие, и, таким образом, прибор слежения, или «маячок», особенно работающий на высокой частоте, может «пробить» поверхность клетки, работая изнутри.
Лифты и прочие помещения с металлическими проводящими каркасами и стенками могут приводить к пропаже сигнала и появлению «мертвых зон» для пользователей сотовых телефонов, раций, и прочих электронных устройств, принимающих внешние радиосигналы.
Для экранирования излучения работающего внутри микроволновой печи магнетрона с длиной волны порядка 12 см корпус печи выполнен из сплошного металла (нержавеющей стали). Прозрачное окно дверки представляет собой пакет из стеклянных или пластмассовых пластин с обязательным металлическим перфорированным листом между ними. Диаметр отверстий в листе не выше 1-3 мм, что полностью исключает выход излучения из микроволновой печи. Отсутствие просачивания излучения через щель между дверкой и камерой обеспечивается особой конструкцией щели с размерами, подобранными под длину волны излучения.
Ошибкой будет считать, что клетка Фарадея обеспечивает полное блокирование радиосигнала или его подавление. Степень ослабления клеткой излучаемого или принимаемого, радио- или телевизионного сигнала зависит от формы электромагнитной волны, ее частоты и расстояния до приемника/передатчика. Также их чувствительности и излучаемой мощности. Клетка с ограждением из прочного стального листа обеспечивает лучшее подавление, чем выполненная из сетки.
Применение
Ниже приведен ряд примеров использования клетки и схожих устройств для защиты людей и оборудования.
Клетка Фарадея в виде сумки или чехла используется для предотвращения стирания и изменения с преступными намерениями цифровых данных на электронных носителях.
Из этих примеров видно, что предсказанное свыше 200 лет назад явление, широко популяризированное Майклом Фарадеем. Повсеместно используется в науке, технике, и даже взято на вооружение криминальным миром, при этом успело обрасти множеством мифов. Один из мифов, отраженный в фильме об информаторе Сноудене, заключается в том, что микроволновая печь полностью блокирует излучение мобильного телефона. Это не так, частота передачи данных стандарта мобильной связи GSM отличается от частоты магнетрона микроволновки, и щель между корпусом и дверкой становится прозрачной для сигнала сотовой связи. Т.е. микроволновая печь не является клеткой Фарадея в полном смысле этого понятия – в настоящей клетке никаких щелей быть не должно. По этой же причине не блокирует помещенный внутрь мобильный телефон камера холодильника.
Что такое клетка Фарадея
В далеком 1836 году английский физик и изобретатель Майкл Фарадей создал специальное устройство для экранирования аппаратуры от электромагнитных излучений. Это устройство актуально и по сей день, и как и прежде носит имя ученого. Речь о клетке Фарадея.
Данное устройство представляет собой защитную клетку, изготовленную из обладающего высокой электропроводностью металла, и, как правило, заземленную. Принцип действия этого простого устройства также достаточно прост:
Когда внешнее электрическое поле воздействует на клетку, свободные электроны металла клетки приходят в движение, и противоположные стороны конструкции оказываются заряжены так, что их поле компенсирует внешнее электрическое поле.
Это можно проверить на простом эксперименте с двумя электроскопами и клеткой Фарадея, заряженной от высоковольтного источника: электроскоп, присоединенный к внутренней поверхности латунной клетки Фарадея, и помещенный внутрь нее, не покажет наличия электрического заряда, а электроскоп, подключенный снаружи — покажет.
Электроскоп — прибор для обнаружения электрических зарядов, основанный на взаимодействии зарядов. При наличий зарядов вследствие их взаимодействия подвижная система электроскопа (листочки, стрелка) отклоняется от положения равновесия, и но величине отклонения можно приблизительно судить о величине зарядов.
Постоянное же магнитное поле, в отличие от электрического, внутрь клетки проникнет беспрепятственно. Однако, поскольку переменное электрическое поле, порождающее переменное магнитное поле, экранируется клеткой, то переменное магнитное поле внутрь клетки не проникает, так как просто не успевает возникнуть. По этой причине клетка Фарадея защищает внутреннее свое пространство, и объекты, находящиеся в нем, не только от электрического поля, но и от действия внешних электромагнитных волн.
Если же обратить внимание на высокие частоты, то электромагнитные волны высокой частоты (по сравнению с размером ячейки сетки клетки) будут частично отражаться от клетки, а также будут просто напросто затухать в толще металла, индуцируя в нем вихревые токи, и рассеиваясь в конечном итоге в виде тепла.
Тем не менее, эффективность экранирующей функции клетки Фарадея связана со следующими параметрами: с глубиной поверхностного слоя (скин-слоя), с толщиной металла клетки, и с размером проема по отношению к длине волны внешнего излучения, от которого требуется экранирование.
Так, для экранирования кабелей применяют клетки Фарадея с проводниками конструкции из хорошо проводящих материалов. Размер ячейки, для эффективной работы клетки Фарадея, обязательно должен быть сильно меньше длины волны экранируемого излучения.
Разновидность клетки Фарадея каждый может встретить в микроволновке. На дверце микроволновки присутствует металлическая сетка, ячейки которой достаточно мелки по сравнению с длиной волны, создаваемой магнетроном. Микроволновка работает на частоте 2450 МГц, и длина волны здесь чуть больше 12 см, очевидно, сетка на дверце микроволновки легко экранирует это излучение, не давая ему выйти наружу.
Роль остальной части клетки в микроволновой печи играет металлическая камера, в которой находится разогреваемая пища. Кстати, если в микроволновую печь (в выключенную!) положить сотовый телефон, то он окажется вне зоны действия сети, поскольку волны сотовой связи стандарта GSM еще длиннее, чем волны порождаемые магнетроном микроволновки.
Другие примеры клеток Фарадея из реальной жизни:
Машины и самолеты. Оба эти вида транспорта представляют собой гигантские металлические клетки. Благодаря металлическому корпусу автомобили и самолеты защищены от ударов молнии. Если вы когда-нибудь застряли в машине во время грозы или ваш самолет пролетает через грозу, вам не нужно беспокоиться о том, что молния навредит вам.
Кабинеты МРТ. Аппараты магнитно-резонансной томографии используют сильные магнитные поля и радиоволны для создания изображений тела. Помещения вокруг машин МРТ созданы как клетки Фарадея, чтобы внешние источники радиочастот не мешали визуализации, а также предотвращали выход избыточного количества излучения из комнаты МРТ.
Военные и правительственные здания. Военные комнаты, операционные центры, центры обработки данных, конференц-офисы, а также комнаты промышленного шпионажа, безопасности и разведки часто состоят из клеток Фарадея. Это сделано для защиты комнаты и ее конфиденциальной или очень ценной информации внутри от взлома, подслушивания или даже кибервойны и атак с помощью ЭМИ (электромагнитного импульса). Однако те, кто работает в клетках Фарадея с электронным оборудованием, часто подвергаются гораздо более высокому риску воздействия электромагнитного поля, поскольку излучения остаются внутри здания.
Примером современной клетки Фарадея является сумка ConcealShield® Privacy Pouch, которая полностью закрывает устройство, чтобы блокировать все излучения и все беспроводные сигналы на вход и выход. Это сумка предотвращают кражу личных данных и отслеживание мобильного устройства.
Существуют специальные металлические костюмы, работающие по принципу индивидуальной клетки Фарадея, изготовленные из волокон нержавеющей стали и меди.
Такие костюмы используют монтажники высоковольтных линий электропередач, ибо даже отключенная линия, длиной в много километров, скапливает на себе опасное количество статического заряда. А костюм защищает человека от поражения электрическим разрядом.
Подобные защитные комплекты на основе серебряной ткани защищают электромонтеров и от вредного воздействия электромагнитного поля высоковольтных установок, где электрическая составляющая очень высока. Такие комплекты, как утверждают их производители, предназначены для защиты:
от воздействия электрического поля промышленной частоты;
от воздействия тока смещения, вызванного переменным электромагнитным полем;
от воздействия интенсивного электромагнитного излучения, возникающего при разряде между контактами разъединителей;
от разрядов электрического тока при прикосновении к заземленным или изолированным предметам, частям оборудования, а также траве и мелкому кустарнику;
от электротравм при попадании под наведенное или шаговое напряжение.
Комплекты создают замкнутое экранированное пространство вокруг тела человека, облаченного в костюм, исключая любое проникновение электрического поля внутрь. Все элементы комплектов изготавливаются из электропроводящих материалов и соединяются между собой каналами повышенной проводимости и электропроводящими контактными выводами. Благодаря таким костюмам тело человека шунтируется, и обеспечивается безопасное стекание токов электростатической или емкостной природы.
Любители катушек Тесла также используют костюмы, напоминающие индивидуальные клетки Фарадея. Ток просто стекает по поверхности костюма на проводящие части с меньшим сопротивлением, не причиняя ущерба человеку, участвующему в шоу.
Как видим, клетка Фарадея применяется сегодня много где. В клетки Фарадея заключают электрические установки высокого напряжения, клетки Фарадея используют в шоу, наконец любое производство, связанное с опасным микроволновым и другим электромагнитным излучением, не обходится без целых цехов и комнат, заключенных в клетки Фарадея.
Надеемся, что данная статья явилась для вас полезной, и теперь вы понимаете, насколько важное значение может иметь простое с виду устройство, напоминающее обычную коробку из сетки. Ведь Клетка Фарадея в различных применениях не только экранирует разнообразное чувствительное к электрическим полям и излучениям оборудование, но и бережет здоровье людей, предотвращая онкологические, и многие другие заболевания, которые могут быть вызваны чрезмерным действием электромагнитных излучений на живой организм.
Клетка Фарадея — что это такое и как работает?
Физика в школе обычно не входит в число предметов, которые нравятся ученикам, потому что требует запоминания сложных закономерностей, процессов и вычислений. Неудивительно, что после школы о ней почти никто не помнит и большая часть знаний быстро забывается. Так почему же клетка Фарадея настолько популярна и часто упоминается в сети?
Что такое клетка Фарадея?
Клетку Фарадея изобрел, как ни странно, Майкл Фарадей, блестящий английский физик и химик, который также является первооткрывателем явления электромагнитной индукции, отцом электродвигателя и изобретателем генератора. Он создал клетку в 1836 году, чтобы продемонстрировать феномен полого объекта, окруженного токопроводящим материалом, «защищающего себя» от проникновения электростатического поля.
Как известно, электрический потенциал на поверхности проводника должен быть везде одинаковым, поэтому в случае появления воздействующего на него внешнего поля, заряды на объекте перемещаются таким образом, чтобы его уравновесить. В результате отрицательно заряженные электроны распространяются по поверхности клетки неравномерно, но «плюсовое» поле нейтрализует его влияние и не позволяет ему проникнуть внутрь. На практике это означает, что мобильный телефон, помещенный внутрь клетки потеряет соединение с сетью.
Клетка Фарадея представляла собой комнату, покрытую металлической фольгой, которую ученый предварительно наэлектризовал. Внутри был установлен электроскоп, измерения которого показали или, вернее, не показали наличие какого-либо заряда. Эксперимент Фарадея до сих пор является самым популярным в физике.
Как построить клетку Фарадея?
Клетку Фарадея очень легко сделать самостоятельно. Ее самой примитивной формой является простая алюминиевая фольга, в которую можно обернуть телефон и, тем самым, полностью отрезать его от сети. Также для этой цели можно использовать металлические ящики, посуду или урны. По сути, любой металлический предмет будет полноценной клеткой Фарадея.
Однако наиболее зрелищное и познавательное действие клетки можно увидеть на научных выставках. Некоторые из них настолько большие, что участники эксперимента могут войти внутрь и понаблюдать за эффектом на своих собственных устройствах.
Клетка Фарадея на практике
Настоящие клетки Фарадея используются в больницах — они изолируют оборудование, предназначенное для выполнения магнитно-резонансной томографии, от воздействия внешних электромагнитных факторов. По той же причине эти устройства используются и в некоторых лабораториях.
Клетки Фарадея также применяются политиками и военными. В службах каждой страны есть специально подготовленные помещения, перекрывающие доступ к любым беспроводным сетям. Маленькие клетки Фарадея можно найти даже в кошельках.
Они предназначены для защиты бесконтактных карт, оснащенных модулем RFID. И, конечно же, нельзя отрицать, что самая популярная клетка Фарадея в наши дни — это шапочка из фольги, которая защищает людей от «смертельной радиации 5G».