Клетка фарадея что это кратко
Перейти к содержимому

Клетка фарадея что это кратко

  • автор:

Клетка Фарадея: описание, принцип работы, применение

Клетка Фарадея — одно из тех изобретений, которые мы часто не замечаем в повседневной жизни. Это защитный проводник (так называемый экран) в шнуре ваших наушников, чтобы вы могли слышать любимую музыку, а не помехи от электросети. Именно алюминиевый корпус самолета обеспечивает безопасность в случае грозы во время полета. Это внутренняя часть микроволновой печи, так что вы можете спокойно разогревать вчерашнюю пиццу.

Клетки Фарадея, решетки Фарадея, щиты Фарадея, банки Фарадея или электромагнитные кабины — названий много, и они также выполняют чрезвычайно важную задачу в области обеспечения безопасности важных данных и информации. Они защищают от воздействия внешних электромагнитных полей.

Такая клетка изготавливается из токопроводящего материала. Поэтому она не пропускает электромагнитные волны ни снаружи, ни изнутри. Электромагнитные волны и электрические токи определённым образом задерживаются и циркулируют вокруг экранирования, которым является сама клетка.

И все благодаря явлению, открытому в 1836 году английским физиком и химиком Майклом Фарадеем.

Описание и принцип действия клетки Фарадея

В 1836 году английский физик Майкл Фарадей выстроил в комнате металлический экран. Внутри комнаты он разместил электроскопы, задачей которых было зафиксировать существование электрического поля внутри такой комнаты. Разряды статического электричества вне помещения, по предположению экспериментатора, не вызывали появления электрического поля внутри помещения.

Клетка Фарадея — это камера, которая действует как экран против электростатического поля (рис. 1). Его название происходит от имени английского ученого Майкла Фарадея. Клетки Фарадея используются для защиты электронных устройств от помех или в целях безопасности.

Художественное видение опыта Фарадея

Принцип действия клетки Фарадея обусловлен свойствами проводников в электрическом поле. Если поместить проводник в электрическое поле, то поле рассеет свободные заряды в проводнике. Заряды, индуцированные на поверхности проводника, создадут собственное электрическое поле, которое аннулирует внешнее поле.

Рассмотрим следующий эксперимент. Мы помещаем алюминиевую банку (например, банку из-под напитков) рядом с источником электрического поля, например, электрически заряженной эбонитовой палочкой (рис. 2a). Банка электрически нейтральна, т.е. содержит одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов.

Банка Фарадея и явление электростатической индукции

Однако, когда банка находится в электрическом поле, возникает явление электростатической индукции. Свободные электроны, имеющие отрицательный заряд, движутся противоположно направлению поля, так что одна сторона банки становится отрицательно заряженной, а другая — положительно заряженной (рис. 2b). Такое распределение зарядов приводит к возникновению внутри банки электрического поля, противоположного внешнему полю, вызвавшему разделение зарядов. Результирующее обоих полей равно нулю, что означает, что область внутри банки изолирована от внешнего электрического поля.

Радиочастотный модулятор, заключенный в металлическую оболочку

Сепараторы Фарадея могут иметь форму проводящего экрана, металлической оболочки (например, пластиковый корпус, окрашенный проводящей краской, рис. 3.) или сетки, образующей закрытую камеру (рис. 4.). Однако, независимо от формы, принцип действия остается неизменным: явление электростатической индукции вызывает нулевое электрическое поле внутри клетки.

Кабель с металлической оплеткой и фольгой для компьютерного монитора

Применение

Трудно найти применение клетке Фарадея в предметах и вещах, которые мы используем в повседневной жизни. Однако много информации указывает на то, что корпус микроволновой печи напоминает клетку Фарадея в процессе ее работы. Как и в случае с клеткой, внутри микроволновой печи отражаются волны определенной длины, это вызывает значительное повышение температуры, но не выходит за пределы корпуса.

Другим интересным примером одного из типов клетки Фарадея является самолет. Когда молния ударяет в самолет, через корпус проходит электрический ток, который индуцирует магнитное поле и электрическое поле внутри корпуса. Путешественники и пассажиры, находящиеся в это время в самолете, не подвергаются непосредственной опасности от удара молнии.

Как видите, так называемая клетка Фарадея имеет множество применений. Почти двести лет назад она была всего лишь диковинкой, одной из многих, связанных с новой областью знаний — электричеством. Практическое применение она нашла только в научных исследованиях, в очень точных измерениях электрических зарядов и электростатических полей.

Стоит отметить, что в течение десятилетий такие клетки «защищали» людей и предметы от некоторых последствий ударов молнии — часто случайно. В двадцатом веке, когда автомобили и самолеты стали обычным явлением, им чаще всего приписывали способность обеспечивать такую «защиту», благодаря их металлической конструкции. Однако следует помнить, что клетка Фарадея «защищает» свою внутреннюю часть от возникновения внутри нее электростатического поля. Между тем, разряд молнии сопровождается протеканием очень сильного электрического тока; при этом возникают электромагнитные волны. В этом случае клетка Фарадея лишь частично выполняет свою «защитную» роль — это зависит от деталей ее конструкции и частоты электромагнитной волны, падающей на клетку.

Сегодня мы сталкиваемся с огромным количеством источников электромагнитных волн в нашей окружающей среде; мы говорим о «шуме» и даже об «электромагнитном смоге». Мы часто озабочены тем, чтобы экранировать эти волны или изолировать себя от них. Клетки Фарадея, обычно в виде закрытых экранов из плотной сетки, используются для защиты чувствительной аппаратуры (например, диагностической медицинской, научной) от внешних источников электрических или электромагнитных полей.

Для справки: электромагнитный смог — это разговорный термин для обозначения электромагнитного излучения различных частот, относящегося к спектру неионизирующего излучения, чаще всего относящегося к диапазону радиочастот (300 кГц — 300 ГГц). Термин «электромагнитный смог» некоторые считают синонимом электромагнитного излучения, исходящего из искусственных, т.е. созданных человеком, источников, в отличие от электромагнитного излучения, исходящего из естественных источников.

Вероятно, у вас также есть клетка Фарадея на кухне — микроволновая печь. Его можно узнать даже по решетке в прозрачной панели. Клетка используется там для экранирования микроволновых лучей, которые должны разогреть вашу пищу.

Сепараторы Фарадея очень часто используются в электротехнике. Особенно в области ЭМС (электромагнитной совместимости), где целью является защита сигналов от внешних воздействий или сигналов помех. Например, металлические корпуса используются вокруг печатных плат, или металлические оплетки вокруг различных кабелей.

Существует также множество обратных применений: устройства, излучающие электромагнитные волны в качестве побочного эффекта своей работы, заключаются в клетки Фарадея, когда мы не хотим, чтобы излучаемые ими волны достигли других устройств. Мы можем захотеть избежать помех (например, при работе телевизора от электродвигателя пылесоса) или заблокировать «электромагнитное прослушивание», т.е. доступ третьих лиц внешних устройств к информации, излучаемой — в качестве побочного эффекта — во время нормальной работы нашего устройства (например, работающего компьютера). В таких случаях мы запираем «передающее» устройство в клетке Фарадея.

Что такое Клетка Фарадея, как она работает и где используется

Вы, наверное, слышали термин «клетка Фарадея» на уроках физики и знаете, что если в машину ударит молния, с пассажирами ничего не случится — если, конечно, они не вздрогнут и не съедут с дороги. Автомобиль, пораженный молнией, — один из самых известных примеров этого явления на практике.

Клетка Фарадея — устройство, работа которого основана на том, что электрический заряд сосредоточен только на поверхности проводника, а не в его объеме. Следовательно, внутри полого трехмерного объекта из проводящего материала отсутствует электромагнитное поле.

Однако, когда речь идет о клетке, а не о закрытой «коробке», все зависит от размера отверстий.

Клетка также может (частично) блокировать электромагнитное излучение, если толщина проводника достаточна, а размеры отверстий значительно меньше длины волны излучения.

Из этой статьи вы узнаете в чем заключается явление электростатического экранирования, как работает клетка Фарадея и где она используется.

Клетка Фарадея

Демонстрация работы клетки Фарадея на научно-популярном шоу в музее

Клетка Фарадея (Faraday cage) — это закрытый металлический контейнер, который служит для блокирования электромагнитных полей. Когда электромагнитные волны попадают внутрь такого контейнера, они отражаются и распространяются по его поверхности, не проникая внутрь.

Изобретенная в 1836 году Майклом Фарадеем, клетка Фарадея имеет множество применений, включая защиту от радиочастотной интерференции и электромагнитных помех, а также защиту электронной и электрической техники от электромагнитных полей.

Принцип работы клетки Фарадея основан на том, что металлический контейнер действует как заземленный экран, который принимает на себя электрические поля и направляет их в землю.

История открытия

Наиболее ранний из известных экспериментов, так или иначе связанный с будущей клеткой Фарадея, был проведен в 1755 году Бенджамином Франклином. Ученый наблюдал следующий эффект.

Погружая подвешенный на шелковой нити пробковый шарик (незаряженный) в заряженную металлическую банку, Франклин не обнаружил притяжения шарика ко внутренней ее стенке, тогда как снаружи банки такое притяжение можно было наблюдать.

И даже если шарик касался дна, то когда его вынимали, на нем не было обнаружено заряда, хотя после прикосновения к банке снаружи заряд на шарике обнаруживался. Франклин посчитал этот факт исключительным.

Позже, проводя эксперименты с электрически заряженными телами, Майкл Фарадей обнаружил следующую важную закономерность.

У полого заряженного проводника заряд всегда удается обнаружить только на внешней его стороне, но никогда не на внутренней. И заряд этот никак не влияет на предметы, помещаемые внутрь полого проводника. Данное открытие было сделано ученым в 1836 году.

Для более выразительной демонстрации своего открытия Фарадей соорудил специальное помещение, которое сплошь обернул фольгой и стал пропускать через него электрические разряды высокого напряжения. Установленный внутри помещения электроскоп, будучи подключен к фольге изнутри, не показывал никакого заряда.

Опыт Майкла Фарадея

Позже, а именно — 4 февраля 1843 года, Фарадей опишет эксперимент с оловянным ведром для льда, к которому снаружи он присоединит электроскоп.

По мере того, как латунный заряженный шар входит в ведро, лепестки электроскопа расходятся и расхождение это продолжается до тех пор, пока шар не окажется целиком ниже края ведра.

После этого показания электроскопа остаются устойчивыми и неизменными даже по мере дальнейшего погружения шара и в ходе его приближения ко дну.

Это показывает, что на любом расстоянии от дна на всю внутреннюю часть ведра оказывается полное индуктивное действие шара. Если же коснуться шаром дна, то весь его заряд будет передан ведру. И после того, как шар из ведра вытащат, он окажется полностью разряженным.

Фарадей не был первым, кто открыл это явление. Бенджамин Франклин или французский физик Жан-Антуан Нолле ссылались на его последствия в своих исследованиях почти за сто лет до английского физика. Однако подробное описание и демонстрация этого явления были даны только Фарадеем, и поэтому он занял первое место в открытии.

Экранирование электрического поля. Как это работает

Описанные эксперименты привели в итоге к созданию так называемой «клетки Фарадея», которая используется в технике по сей день в целях электростатического и электромагнитного экранирования на самых разных технологических уровнях.

Как работает клетка Фарадея

Чтобы понять, в чем принципиально заключается явление электростатического экранирования, для начала проведем мысленный эксперимент. Представьте себе металлический куб со стороной в 1 метр и с гранями толщиной в 1мм.

Допустим, куб спаян из листовой меди. Медь, как мы знаем, — проводник, а значит всюду внутри стенок куба есть огромное количество свободных электронов, которые, как известно, хаотически движутся в тепловом движении от атома к атому.

Движение свободных электронов

Теперь допустим, что нам неким волшебным способом удалось сместить часть свободных электронов с правой грани куба — на левую, противоположную его грань, и так оставить.

Что произойдет в результате? На левой грани куба будет больше электронов, чем на правой. Значит на правой грани куба создастся избыточный положительный заряд, а на левой — избыточный отрицательный.

Внутри куба, между его левой и правой гранями, возникнет электрическое поле, вектор напряженности которого будет направлен справа налево.

Как работает клетка Фарадея

Теперь вернем медный куб в исходное состояние: заряды всюду в стенках куба вновь скомпенсированы, электрического поля между стенками внутри куба не наблюдается.

Принцип работы клетки Фарадея

Включим за пределами куба источник электрического поля, вектор напряженности которого будет направлен слева направо, да так, чтобы куб полностью попал в область действия данного поля.

В кубе, под действием внешнего поля, произойдет разделение зарядов, как то, что было в нашем мысленном эксперименте. Только вот причина разделения на этот раз — не какая-то волшебная немыслимая, а вполне реальная — электрическое поле внешнего источника.

Когда внешний источник включали, его электрическое поле подействовало на электроны внутри стенок куба и привело к разделению зарядов. В итоге поле разделенных зарядов внутри куба скомпенсировало собою пронизывающее куб поле внешнего источника, в сумме поле внутри куба стало равным нулю. То, что находится внутри куба, оказывается экранировано, защищено от внешнего электрического поля.

Сплошной и сетчатый экраны. Заземление

Для защиты только от электрического поля экран не обязательно должен быть сплошным, достаточно и клетки. Однако для переменного электромагнитного поля размер ячейки клетки имеет значение. Если размер ячейки соизмерим с длиной волны внешнего излучения, то волна может легко проникнуть и внутрь клетки.

Если же размер ячейки сильно меньше длины волны, то волна внутрь не проникнет. На дверце микроволновой печи, например, сетка не позволяет волнам, порождаемым работой магнетрона, выйти наружу.

Заземляют клетки Фарадея для того, чтобы избыточный заряд на клетке в целом, если он вдруг возникнет, также мог бы быть сразу нейтрализован. В этом случае клетка будет охвачена эквипотенциальной поверхность нулевого потенциала (потенциала земли).

Применение клетки Фарадея

Сам Фарадей, возможно, удивился бы, узнав, что его открытие сегодня играет очень важную роль и в вопросах безопасности, в частности, в защите от утечки информации.

Высоковольтная испытательная лаборатория

Пример использования клетки Фарадея в высоковольтной лаборатории

Клетки Фарадея в явном и в неявном виде применяются везде, где необходимо обеспечить электростатическую защиту и защиту от электромагнитных полей.

Они защищают компьютеры и измерительную аппаратуру, элементы электронных схем, звукосниматели электрогитар (экранирующими корпусами), цифровые носители данных (экранирующими пакетами), лаборатории, кабинеты МРТ (экранирующими стенами и потолком), салоны воздушного и наземного транспорта, лифты — сами представляют собой клетки Фарадея.

Автомобиль представляет собой клетку Фарадея, которая способна защитить пассажиров от мощного разряда молнии. Именно по этой причине всегда желательно оставаться в машине во время грозы.

Несмотря на то, что закрытый автомобиль работает как клетка Фарадея, из-за больших окон прием высокочастотных сигналов, например, мобильных телефонов в автомобиле по-прежнему возможен.

Костюмы электромонтеров, обслуживающих и ремонтирующих воздушные линии электропередачи (ВЛЭП), участников шоу с катушками Тесла, — являют собой клетки Фарадея специальной формы, предназначенные специально для защиты человеческого тела.

Костюм Фарадея

Электромонтеры обслуживают высоковольтные линии электропередачи под напряжением в специальных защитных костюмах

Всевозможные кабели передачи данных посредством высокочастотных электрических сигналов обязательно имеют экранирующую оболочку, которая работает по принципу клетки Фарадея.

На основе клетки Фарадея выпускаются специальные экранированные непроницаемые чехлы для мобильных телефонов. Это отключает мобильный телефон от всех используемых мобильных сетей, сетей передачи данных и навигации.

Телефон в чехле теряет сигнал, не подключается к системам спутникового позиционирования и не передает беспроводные данные. Подобные уловки часто используются в случае опасений подслушивания.

Также возможно построить полноценный экранированный офис по принципу клетки Фарадея, который можно использовать, например, как переговорную.

Подобные экранированные камеры используются не только в рамках защиты от прослушки, но и в других сферах. Мы можем встретить их, например, при защите центров обработки данных от сильных электрических разрядов или на научных и исследовательских рабочих местах, где необходимо исключить нежелательные электромагнитные поля при проведении чувствительных измерений.

Электромагнитно-инертная среда необходима также в медицинской промышленности и диагностике.

Открытый экранирующий блок

Открытый экранирующий блок в виде клетки Фарадея, предназначенный для установки МРТ

Фарадей также открыл электромагнитную индукцию и электролиз

Майкл Фарадей любил эксперименты, и благодаря этому внес в мир ряд других открытий.

Тщательное описание электромагнетизма было необходимо и уже в 1821 году он обнаружил, что электрический ток, проходящий через проводник, может индуцировать электромагнитное поле, а десятью годами позже доказал, что работает и обратное — действие магнита создает электрический ток — и таким образом описал принцип электромагнитной индукции.

Майкл Фарадей также сделал много открытий в области химии и на границе между физикой и химией — прежде всего это открытие электролиза. Он расширил техническую номенклатуру, включив в нее термины анод, катод, электрод и ион (смотрите — Законы электролиза Фарадея).

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Что такое Клетка Фарадея и как она работает

Биография Майкла Фарадея наполнена множеством разнообразных открытий, но клетка Фарадея занимает среди них особое место. О том, что такое клетка Фарадея (КФ), как она работает и каким способом ее можно сделать своими руками, будет рассказано ниже в данном материале.

Майкл Фарадей

В англоязычной литературе клетка Майкла Фарадея называется Faraday Cage. Другие название, которое можно также встретить в сети — это экран или сетка Фарадея. Простыми словами устройство можно описать так — оно представляет собой металлическую клетку, которая не пропускает внутрь своего полого пространства электрическое поле. В первом опыте (1836 г.) это была комната, покрытая латунной плёнкой. На плёнке во время подключения ее к высоковольтному электростатическому генератору появлялся электрозаряд.

Первое экранированное сооружение

Поднесённый к плёнке электроскоп поднимал листочки, фиксируя наличие заряда, а потом опускал их внутрь комнаты, когда происходило прикосновение к внутренним стенам. Такой вариант показывал отсутствие в комнате электрического поля. Это предположение подтверждало и поведение животных в комнате, которые не изменяли свое поведение и вели себя вполне спокойно при подаче на внешние стены помещения высоковольтного заряда. В этот момент Фарадей понял, что клетка способно уменьшать или нейтрализовать внешнее поле. Однако экспериментально это было доказано гораздо позже.

Клетка Фарадея для помещения

Принцип работы

Ниже попытается выяснить про клетку Фарадея следующее: что это такое и на каком эффекте основан принцип ее работы.

Клетка Фарадея и ее принцип работы довольно прост: когда на одну стенку клетки начинает воздействовать электромагнитное поле, то внутри нее инициируется движение свободных электронов. В этот момент на противоположной стороне клетки начинает образовываться свое электрическое поле, которое пытается компенсировать действие данного внешнего поля. За счет того, что есть такой экран, внутрь клетки внешнее поле проникнуть не может.

Электроскоп — прибор, который позволяет обнаруживать наличие электрических зарядов у наэлектризованных предметов, взаимодействующих с ним. Индикатором и измерителем поля служат обычные листочки. О величине электрического поля судят по величине угла их отклонения от вертикали.

Электроскоп

Понять, как работает данная клетка, позволяет приведенное ниже описание и изображение:

  1. В клетке Фарадея отсутствует электрическое поле.
  2. Электрическое поле начинает воздействовать на одну стенку клетки. За счет этого в ней начинается перераспределение заряженных частиц и поле пытается проникнуть внутрь клетки.
  3. На другой стенке заряды также приходят в движение и компенсирует воздействие зарядов противоположной стенки. Поэтому внутри клетки создается своеобразный экран и возникающее электрическое поле нейтрализуется.

Принцип работы клетки Фарадея

Практически полностью нейтрализовать воздействие внешнего поля невозможно. Этим сразу развенчивается одно из главных заблуждений людей, которые думают, что данный экран полностью защищает предметы внутри клетки от любых полей. Клетка лишь может максимально снизить его воздействие. Поэтому очень маленькое поле внутри клетки обычно присутствует всегда. При этом надо также понимать, что данное устройство не может обеспечить защиту от постоянных или медленно изменяющихся магнитных полей. Внутри такой клетки компас будет работать и укажет правильное расположение севера. То есть, магнитное поле Земли может без проблем проникать внутрь данной клетки.

Опыт с ведёрком для льда

Через 7 лет после опыта с клеткой Фарадей (1843г.), изучая статическое электричество и изолирующий эффект данного устройства, проводят знаменитый опыт с ведёрком для льда. Это был первый количественно точный эксперимент по электростатическим зарядам. Он наглядно продемонстрировал принципы, лежащие в основе электростатической индукции и клетки Фарадея.

Опыт с кюветой

Суть данного опыта заключался в следующем. В металлическое ведёрко для льда (кювета), стоящее на деревянной табуретке (изолятор), опускался латунный шарик на сухой шёлковой нити. К ведёрку снаружи был подсоединён позолоченный электроскоп. Электростатической машиной или лейденской банкой шар заряжался, а потом его начинали опускать в ведёрко.

Во время измерения заряда внутри ведерка электроскоп заземляли. При положительном заряде на шаре при приближении его к верхнему краю ведёрка лепестки начинали расходиться. Они отходили от вертикали до тех пор, пока шар полностью не входил внутрь ведёрка.

Линии поля при опускании шарика

На картинках отражены 4 этапа опускания шара:

  1. Начало опускания шара. Он ещё далеко от края ведёрка. Силовые линии от шара заходят внутрь ведёрка, до середины и частично огибают его снаружи до земли. Они также исходят от дна ведёрка на землю.
  2. Шар частично погружён в ведёрко. Картина примерно такая же, только силовые линии глубже проникли внутрь емкости. Снаружи они полностью огибают ведёрко и исходят уже не только из его дна, но и из нижней внешней части.
  3. Шар приблизился к самому дну, но не касается его. Силовые линии от него полностью распределены внутри ведёрка и не выходят наружу. Снаружи они по-прежнему исходят от дна к земле. Передвижения шара внутри емкости не изменяют угол наклона лепестков электроскопа. То есть заряд на наружной поверхности ведёрка остается постоянным и не зависит от положения шара внутри емкости.
  4. Шар коснулся дна, внутри ведёрка нет силовых линий — шар разрядился. Снаружи картина силовых линий прежняя. Если представить другую картинку — поднятие шара из емкости со льдом. По мере поднятия шара электроскоп начал бы показывать уменьшение заряда на внешних стенках. При этом силовые линии от шара будут выходить за пределы ведра.

Получается, что в металлическом предмете (ведёрке) всегда присутствует множество свободных электронов, которые сразу же начинают реагировать на появление рядом с ними электрического поля. Возникновение такого поля инициирует опускающийся в ведерко заряженный шар.

Заряды противоположной полярности начинают притягиваться друг к другу. При положительном заряде на шаре к нему начнут притягиваться отрицательно заряженные электроны, которые скапливаются на внутренних стенках ведра. В то время как положительно заряженные заряды такой же величины собираются на наружных стенах. Снаружи и внутри контейнера соберутся заряды одной величины, равные заряду на шаре, но имеющие при этом противоположный знак. Это и есть процесс электростатической индукции. Он обратим, по мере извлечения шара и удаления его от ведра, эти заряды снизятся до нуля. Когда заряженный шар касается дна, заряды с шара вытекают и нейтрализует заряды на внутренних стенах. Затем он перераспределяется на внешние стены.

Защита здания от удара молнии

Чистый заряд на внутренних стенах проводника и внутри самого проводника всегда будет нулевым, даже если внутри него находится заряженный предмет. Если внешний заряд не касается внутренних стенок, то он индуцирует равный заряд противоположного знака на них. Если касается, то он вытекает и устремляется к внешним стенкам, выталкиваемый зарядом противоположного знака. И поэтому заряд на проводнике всегда распределяется по его поверхности, но внутрь не попадает.

Забавно и поучительно

Почти за 80 лет до опытов с клеткой Фарадея, этот же эффект обнаружил знаменитый американец Б. Франклин, причем на очень простом и изящном опыте: он просто опускал в заряженную металлическую банку незаряженный пробный шарик. Внутри банки шарик никак не реагировал, а снаружи вблизи стенок банки он притягивался к ним. Если шарик касался стенок банки изнутри, то становился незаряженным. Если снаружи, то наоборот заряжался.

Опыт Франклина

Подводя краткие итоги таких экспериментов: был обнаружен эффект, при котором шарик внутри емкости разряжается, а снаружи ее наоборот заряжается. Однако считать это открытием все же нельзя, ведь во время экспериментов не были объяснены причины такого поведения зарядов.

Незадолго до этих опытов эффект клетки Фарадея был теоретически предсказан несколькими учеными: в 1813 это сделал француз Пуассон, а в 1828 англичанин Грин. Они объяснили, что поскольку внутри проводника электропотенциал неизменен, то и электрическое поле там отсутствует. Согласно всех проведенных опытов было сделано заключение, что поверхность проводника и есть экран, который исключает проникновение внутрь него электромагнитного поля.

Шоу клетка страха

Клетка и эффект Фарадея против магнитного и электромагнитного поля

Другая ситуация с постоянным или слабо изменяющимся магнитным полем. Стенки клетки с множеством выстроенных на их наружных поверхностях электронов абсолютно не препятствуют его проникновению внутрь. Что касается переменного электромагнитного поля, то оно не успевает возникнуть внутри проводника, так как там не появляется переменное электрополе, а значит и магнитное поле также отсутствует.

МРТ установка

Если подобное поле высокочастотно, то КФ работает как экран, отражающий основную часть волн, остальное затухает в его скин-слое (поверхностном слое), нагревая последний из-за возникающих потерь, связанных с вихревыми токами.

Эффективность экранирования

Не всегда происходит полное экранирование внутренней поверхности проводника от статического внешнего электрополя. Это легко объясняется на примере с ледяным ведёрком: Даже когда заряженный шар опускается в контейнер ниже его верхнего края, часть силовых линий выходит наружу, а экранирование получается неполным. Когда Фарадей плотно закрывал ведёрко крышкой, вот тогда заряд экранировался полностью.

Экранированная комната

Эффективность КФ по снижению воздействия внешнего поля зависит от ряда факторов:

  • Дистанция между источником поля и клеткой.
  • Сетка — сечение ячеек и показатели электропроводности материала, из которого она изготавливается.
  • Насколько мощный источник поля.
  • Электромагнитные волны — их форма и частотность.

Сетка Фарадея

Клетка Майкла Фарадея, что и закономерно, будет эффективно работать в том случае, когда толщина стенок и глубина самой клетки будут больше, а размер ячейки наоборот меньше. Сплошные (без ячеек) виды КФ ослабляют электромагнитные поля сильнее сетчатых клеток в гораздо более широком частотном диапазоне.

Области применения клетки Фарадея

В экранировании большинства кабелей заложен принцип КФ. При этом выбираются хорошо проводящие материалы. Плюс размеры ячеек делаются значительно меньше длин волн, от которых экранируется данный кабель.

Экранированный кабель

В микроволновой бытовой технике с дверцами также используется эффект клетки Фарадея. Это достигается за счет нанесения на дверцу мелкоячеистой решетки. Главное требование к последней — размер ячеек должен быть значительно меньше длины волн (частота 2.45х10 9 Гц или ~ 12 см).

Микроволновая печь

Если хочется избежать обнаружения сотового телефона по излучению, можно просто поместить его в микроволновку (выключенную, конечно).

В защитных костюмах для высоковольтных линий применяется сетка из тонких волокон из меди или нержавейки. Такая конструкция, работающая на эффекте КФ, защищает от огромного статического заряда, скапливающегося на проводах и конструкции высоковольтных ЛЭП. По словам разработчиков такой спецодежды, работники могут не опасаться, ведь они надежно защищены от статического электричества и его воздействия.

Защитная одежда электромонтажников

Целый ряд помещений требует экранирования от внешних электромагнитных полей. Некоторые владельцы иногда защищают свои квартиры таким способом, но это встречается не так часто. Зачастую ее используют в помещениях с томографами, радиочастотных кабинах и различных лабораториях. Такой же способ используется для экранирования чувствительного электронного оборудования от радиопомех. Нужна подобная защита и при юстировке, тестировании электронных устройств.

Камера с защитой от электропомех

При защите от удара молний используется стекание токов поверх клетки, исключающие попадание их внутрь. Аналоги КФ — пассажирские отсеки в самолётах и автомобилях, защищающие пассажиров от ударов молний. Пример бытового применения — бустерные сумки, которые представляют собой обычные хозяйственные сумки, обклеенные изнутри алюминиевой фольгой. Имитацией КФ можно считать лифты и тюремные помещения. Другие варианты использования эффекта Фарадея — различные военные и правительственные здания.

Окрашивание поверхностей и эффект Фарадея

Дефект, который возникает при окрашивании различных поверхностей, также был назван клеткой Фарадея. Причина его заключается в наличии зоны выталкивания, так как в углах и впадинах не получается нанести порошковую краску из-за наличия завихрений.

Эффект Фарадея при окрашивании поверхностей

Для осаждения краски в углах, где возникает эффект Фарадея, необходимо обеспечить следующее:

  • хорошее заземление краскопульта, окрашиваемого изделия и самого работника;
  • достаточная по силе скорость распыления краски;
  • постоянный контроль электростатического поля.

Окрашенная поверхность изделия

Самостоятельное изготовление КФ

Рассмотрим ниже, как сделать клетку Фарадея своими руками. Небольшое устройство для хранения маленьких приборов, оборудования, гаджетов можно изготовить из двух основных компонентов: рулонной пищевой (лучше упрочнённой) фольги и фанерного ящика. Фольгой оклеить все поверхности ящика и крышки (снаружи и внутри). Наклеивание фольги довольно легко можно сделать при помощи обычного скотча.

Клетка Фарадея своими руками

Любые зазоры или разрывы при оклеивании исключаются. На дно ящика можно положить коврик из любого мягкого материала, ведь это позволит защитить хранимый инвентарь от возможных ударов при падении.

Подводя итоги

Клетка Фарадея очень полезное открытие, которое позволило защитить людей от различных электромагнитных полей (удар молнии, статическое электричество и др.) В нашей жизни данный эффект используется повсеместно, например, в самолетах, поездах, лифтах, бытовой технике. Сфера применения данного эффекта постоянно увеличивается. Ниже вы можете посмотреть видео, которое позволит ещё лучше понять, как работает это изобретение.

Видео по теме

  • Главная
  • Электропроводка
  • Заземление и защита

Клетка Фарадея. Работа и применение. История и особенности

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.

Kletka Faradeia setka

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.

Kletka Faradeia mikrovolnovka

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 защищает людей и оборудование от электрических токов, возникающих при ударе молнии и электростатических разрядах, поскольку клетка обводит токи за пределами защищенного пространства, без ответвления их внутрь.
  • Салоны автомобилей и самолетов также являются клетками, предохраняющими пассажиров от электрических разрядов молний.
  • На производствах, связанных с наличием опасного электромагнитного излучения, целые цеха и комнаты заключены в клетки Фарадея. Это сберегает людям здоровье и предотвращает ряд заболеваний.
  • Специально разработанные электропроводящие костюмы для монтажников высоковольтных линий электропередач позволяют работать на линиях без риска получения электротравм от статического заряда. Подобные костюмы предотвращают прохождение электрического тока через тело человека, и теоретически защищают от любого напряжения. Электрики-высоковольтники в таких костюмах успешно работали на уникальной высоковольтной линии электропередачи Экибастуз-Кокшетау в Казахстане напряжением 1150 кВ.
  • Клетка Фарадея используется для ограждения генераторов радиоизлучений (радиопередатчиков) и защиты прочих находящихся вблизи электронных устройств.
  • Помещение для магниторезонансной томографии представляет собой клетку Фарадея, и исключено искажение снимаемых с пациента данных внешними радиопомехами, что нарушило бы получаемое томографическое изображение.
  • В аналитической химии клетка Фарадея применяется для снижения уровня помех при проведении точных измерений.
  • По стандартам США и НАТО, и аналогичным стандартам других стран, клетка применяется для предотвращения утечек информации из компьютеров.

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.

Похожие темы:
  • Электромагнитные волны. Опыты Герца. Излучения
  • Абсолютно черное тело (АЧТ). Виды и значение. Применение
  • Наведенное напряжение. Причины возникновения и опасность
  • Экранирующие материалы. Виды и применение. Правила экранирования помещений
  • Защита от статического электричества. Возникновение и действие
  • Кевлар. Свойства и применения. Формы выпуска и особенности
  • Диамагнетики. Виды и свойства. Применение и особенности
  • Законы Фарадея. Для эл/м индукции и в электролизе
  • Защита от электромагнитного излучения. ЭМИ и особенности

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *