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.
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.
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.
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.
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.
Теперь вернем медный куб в исходное состояние: заряды всюду в стенках куба вновь скомпенсированы, электрического поля между стенками внутри куба не наблюдается.
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.
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.
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 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
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 застрянете в машине во время грозы или ваш самолет пролетает через грозу, вам не нужно беспокоиться о том, что молния навредит вам.
- Лифты. Они не строятся специально как клетки Фарадея, но поскольку лифты сделаны из металлических проводящих материалов, то они создают эффект клетки Фарадея. Во многих случаях лифты становятся «мертвыми зонами» для устройств, которым требуются внешние электромагнитные сигналы — например, мобильных телефонов и радиоприемников.
- 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.
- Почему в электроэнергетике выбран стандарт частоты 50 герц
- Магнитная яма Николаева
- Почему гудит трансформатор, источники вибрации и шума, что такое магнитострикция
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Интересные факты
Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика
Поделитесь этой статьей с друзьями:
Клетка Фарадея: что это такое, как устроено и для чего нужно
Клетка Фарадея звучит не менее загадочно, чем выглядит. Впервые изобретенная в XIX веке, клетка имеет ряд практических применений, но по большей части на сегодня это забавный аттракцион. Как же он работает?
Никита Шевцев
Клетки Фарадея и правда окружают вас, просто вы их не замечаете. Вот как они работают и почему могут быть очень полезны
Клетка Фарадея — это, по сути, контейнер или щит, который блокирует электромагнитное излучение во всем электромагнитном спектре, например, радиоволны и микроволны. Она работает по принципу, согласно которому при столкновении электромагнитного поля с чем-то, способным проводить электричество, электрические заряды остаются снаружи проводника, и не могут попасть внутрь.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Это также означает, что клетка, изготовленная из материала, способного проводить электричество, предотвратит прохождение определенного электромагнитного излучения. Это относится как к постоянным, или электростатическим полям, так и к изменяющимся электродинамическим полям.
Клетка Фарадея может быть изготовлена из любого материала, способного проводить электричество. Это может быть проволочная сетка, металлические листы или мотки проволоки. Они могут быть любой формы, например, коробки, сферы или цилиндра, и любого размера, от очень маленьких до очень больших. Даже алюминиевая фольга может быть материалом для клетки Фарадея.
Наружное покрытие, или проводник, может быть чрезвычайно тонким, как фольга, но если сделать его толще, это обеспечит дополнительную защиту от мощных электрических полей. Клетки Фарадея могут быть сложными или чрезвычайно простыми: их размер может варьироваться от обувной коробки до целого здания. Положите свой телефон в пластиковый чехол, а затем окружите его, например, алюминиевой фольгой, и это будет импровизированная клетка Фарадея.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Если у вас на кухне есть микроволновая печь, она сама по себе является клеткой Фарадея, удерживающей микроволны в ловушке внутри прибора, чтобы они нагревали вашу пищу и не выходили наружу. Так что стоять рядом с микроволновкой можно — ее излучение вам не навредит.
Сканеры магнитно-резонансной томографии (МРТ) в медицинских учреждениях также есть клетки Фарадея, которые позволяют предотвратить попадание радиосигналов в помещение и вмешательство их в работу оборудования.
Эффект клетки Фарадея: что это и как избежать
Порошковая краска наносится на изделия посредством электрического поля. Это позволяет создавать на ровных поверхностях идеальное равномерное и качественное покрытие. Однако, как только предстоит наносить порошок на детали более сложной формы, с углами, то могут возникать различные дефекты в порошковой покраске. Один из самых частых — эффект клетки Фарадея. Что это и как избежать такого дефекта, чтобы покрытие было качественным, рассказываем далее.
Что такое клетка Фарадея
Дефект клетки Фарадея носит такое название в честь Майкла Фарадея. Это ученый, основатель учения про электромагнитное поле. Он проводил эксперименты со статическим электричеством.
На изделиях, которые имеют данный дефект, есть так называемая зона Фарадея. В нее входят углы и впадины, на которых порошковая краска не осаждается. Это происходит из-за того, что внутри этих зон сопротивление электрическим силам намного больше, чем на всей остальной поверхности. Поэтому порошок скапливается на их краях, а вот внутри его намного меньше.
А в самой зоне Фарадея могут образовываться вихри. Это также может стать причиной обратной ионизации.
Из-за эффекта клетки Фарадея в порошковой покраске одной из самых сложных задач является именно нанесение покрытия на впадины.
Как избежать эффекта Фарадея
Более длительное время распыления не поможет решить проблему. Даже когда на краях образуется толстый слой покрытия и порошок уже не может там осаждаться, частицы все равно не направляются в выемки. А происходит обратная ионизация.
Единственное, что может помочь порошку осадиться во впадинах, — это поле, которое создает пространственный заряд порошка, приносимый воздухом внутрь впадин.
Итак, как же покрасить угол порошковой краской? Во-первых, надо проверить заземление изделия, оборудования и маляра. Это, вообще, должно быть ежедневной задачей маляра. Частицы порошка притягиваются именно к заземленной поверхности.
Должен быть хороший заряд порошка.
Скорости потока воздуха должно быть достаточно для перенесения порошка внутрь углубления. Но она должна быть не очень большой, иначе станет помехой для осаждения частиц порошка.
Надо контролировать электростатическое поле, чтобы оно не “подталкивало” порошок к краям клетки Фарадея.
Следует снизить напряжение, попробовать уменьшить или увеличить расстояние от распылителя к изделию.
Благодаря изучению порошковых покрытий, дефектов и анализ возможных их причин, специалисты пришли к выводу, что в некоторых случаях для избежания эффекта Фарадея, надо использовать трибоэлектрическое оборудование. Оно не создает ионный ток и сильный электрический заряд. Благодаря этому порошок легко проникает в выемки и осаждается на углах. Покрытие получается качественным, равномерным, без дефектов.
Соблюдая наши советы, вы сможете избежать эффекта клетки Фарадея и без проблем наносить порошковое покрытие на изделия любой формы и конфигурации.
В процессе эксплуатации конструкции может произойти много разных неприятностей – трещины, сколы, вмятины. Особенно, когда…
Разработки в сфере лакокрасочных материалов не стоят на месте. Постоянное влияние влажности и грязи губительно…
Микробы — наиболее устойчивая, выносливая и многочисленная разновидность живых существ на Земле. Они выживают в…