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.

Источник

Клетка Фарадея

Из Википедии — свободной энциклопедии

Кле́тка Фараде́я — устройство, изобретённое английским физиком и химиком Майклом Фарадеем в 1836 году для экранирования аппаратуры от внешних электромагнитных полей. Обычно представляет собой клетку, выполненную из хорошо токопроводящего материала.

Принцип работы клетки Фарадея очень простой — при попадании замкнутой электропроводящей оболочки в электрическое поле свободные электроны оболочки начинают двигаться под воздействием этого поля. В результате противоположные стороны клетки приобретают заряды, поле которых компенсирует внешнее поле.

Клетка Фарадея защищает только от электрического поля. Статическое магнитное поле будет проникать внутрь. Изменяющееся электрическое поле создаёт изменяющееся магнитное, которое, в свою очередь, порождает изменяющееся электрическое. Поэтому если с помощью клетки Фарадея блокируется изменяющееся электрическое поле, то изменяющееся магнитное поле генерироваться также не будет.

Однако в области высоких частот действие такого экрана основано на отражении электромагнитных волн от поверхности экрана и затухании высокочастотной энергии в его толще вследствие тепловых потерь на вихревые токи.

Способность клетки Фарадея экранировать электромагнитное излучение определяется:

Для экранировки кабеля необходимо создать клетку Фарадея с хорошо проводящей поверхностью по всей длине экранируемых проводников. Для того чтобы клетка Фарадея эффективно работала, размер ячейки сетки должен быть значительно меньше длины волны излучения, защиту от которого требуется обеспечить.

Источник

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.

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.

Источник

Клетка Фарадея своими руками

Гениальный учёный и изобретатель XIX века Майкл Фарадей известен активной работой с электричеством, электромагнитным полем и связанными с ними физическими явлениями. Одним из значимых открытий стала защитная конструкция, названная клеткой Фарадея. Ниже разберёмся, что это такое и какую практическую ценность представляет изобретение.

Что такое клетка Фарадея

Клетка Фарадея — это бокс со стенками из хорошо проводящего ток металла. Конструкция не требует подключения внешнего питания, но, как правило, заземляется. Физический эффект клетки проявляется под воздействием на неё внешнего фактора, в роли которого выступает электромагнитное излучение.

Первые конструкции для демонстрации экранирующего эффекта имели вид обычной клетки, что и дало название этому явлению. На самом деле проволочные или перфорированные стенки «коробки» удобны для визуального контроля предметов или приборов, находящихся внутри замкнутого пространства, но их легко можно заменить сплошными. Главное, чтобы материал был токопроводящим.

Принцип действия

Действие клетки Фарадея основано на том факте, что заряд при попадании в проводник распределяется на его поверхности, в то время как внутренняя часть остаётся нейтральной. По сути вся клетка, состоящая из токопроводящего материала является единым проводником, «концы» которого приобретают противоположный заряд. Возникающий при этом электрический ток создаёт поле, компенсирующее внешнее воздействие. Напряжённость электрического поля во внутренней части такой конструкции равна нулю.

Интересно, что если поле сгенерировано внутри клетки, то эффект тоже работает. Однако при таком раскладе заряд распределится по внутренней поверхности сетки или другой проводящей плоскости и наружу проникнуть не сможет.

В англоязычной терминологии КФ звучит как «Faraday shield», то есть «щит/экран Фарадея». Это понятие хорошо передаёт суть устройства, которое, как щит или защитный экран, отражает воздействующие на его содержимое лучи.

Следует помнить, что экранирующий эффект работает только на переменном магнитном поле. Постоянному или слабопеременному магнитному воздействию, например, естественному магнитному потенциалу Земли, помех он не представляет.

Чтобы определить, отразит ли камера Фарадея высокочастотное излучение, достаточно знать размер ячеек сетки (если проводящая часть выполнена в виде клетки) и длину воздействующей волны. Конструкция эффективна, если вторая величина больше первой.

Сферы применения эффекта КФ

Открытый Фарадеем эффект имеет не только научный смысл, но и достаточно широкое практическое применение. Самый простой пример клетки Фарадея можно встретить в быту, он присутствует почти на любой кухне — это микроволновая печь. Пять стенок её корпуса выполнены из достаточно толстых стальных пластин, а между двумя слоями стекла дверцы заключен металлический слой с перфорационными отверстиями для лучшего обзора.

РЧ-кабина

Радиочастотной кабиной называют изолированное от воздействия электрического, магнитного и радиоизлучения помещение, обычно небольшой площади. В его стены, пол и потолок вмонтированы решётки с высокой электропроводностью, образующие замкнутую, но внешне не видимую клетку.

МРТ-помещения

Такое высокоточное оборудование, как медицинский томограф для магнитно-резонансной диагностики, требует тщательной защиты от внешних электромагнитных волн. Малейшее стороннее воздействие может повлиять на результат исследования, поэтому помещение, в котором находится установка МРТ, экранируется полностью.

Лаборатории

В лабораторных исследованиях для получения точных результатов важно не только использовать передовое оборудование, но и надёжно оградить его от воздействия внешних факторов, таких как магнитные и электрические поля.

Следует понимать, что имеется в виду не только направленное излучение от конкретных источников, но и электромагнитные шумы, которые постоянно присутствуют в атмосфере, особенно в населённых пунктах и поблизости от них.

Для качественного экранирования аппаратуры с эффектом КФ требуются специализированные расчёты конструкции и профессиональная установка.

Защитные костюмы

Для людей, работающих в сферах с высокой вероятностью поражения электрическим током, разработаны специальные костюмы. Их верхний слой выполнен из металлсодержащей ткани и отделён от тела изолирующим материалом. В случае воздействия остаточной статики или электротока заряд стекает по внешней оболочке комплекта.

Защитное облачение незаменимо при работе с высоковольтными линиями. Даже обесточенные, они сохраняют опасный уровень статического заряда за счёт многокилометровой протяжённости электропроводов.

В мире развлечений

Эффект КФ, красочно оформленный на сцене, очень зрелищен. В этом случае часто используется не простая клетка, а кажущаяся невесомой оболочка из крупноячеистой сетки или даже специально сконструированный костюм, напоминающий обычную одежду. Ток при этом подводится максимально эффектно, например, при помощи катушек Тесла или подобных им устройств, создающих заряд от электростатического генератора.

Изготовление клетки Фарадея своими руками

В быту изготовление самодельной КФ может понадобиться, чтобы «спрятать» гаджеты от действия различных волн, которые могут вызвать нарушения в чувствительной электронной «начинке».

Примером такой конструкции может служить определённым образом отделанный фанерный ящик. Так как фанера при этом выступает изолирующим слоем, она должна быть идеально чистой и сухой. Можно собрать ящик своими руками или взять готовый — главное, чтобы он был собран без использования гвоздей либо другого металлического крепежа. Сборка производится в несколько этапов:

Второй вариант предполагает, что основой клетки Фарадея своими руками служит металлический резервуар (кастрюля, ящик, бокс и т. п.), внутри которого обустраивается изоляция из картона, той же фанеры или другого материала. Условие плотного прилегания крышки для этой конструкции не менее важно, чем для описанной выше.

Надо ли делать заземление

Не существует единого мнения по поводу необходимости заземления КФ. В обязательном порядке заземляются крупные конструкции и те, на которые может быть оказано действие особенно мощным электрическим разрядом.

Заземление, определённо, предохраняет от нештатных ситуаций, когда накопленный сильный заряд может «пробить» воздушную среду и ударить в расположенный неподалёку предмет или человека.

Тестирование самодельной клетки Фарадея

Чтобы проверить принцип работы клетки Фарадея на практике, удобнее всего использовать компактный радиоприёмник на батарейках. Его следует включить на максимальную громкость и настроить на самый мощный из доступных FM-каналов. Если клетка работает, радио в нём замолчит.

Если приёмник хоть немного, но слышно, значит, стопроцентной экранизации добиться не удалось, и следует искать прорехи в токопроводящем слое.

Подходит для тестирования самособранной камеры и мобильный телефон. Оказавшись внутри, он перестанет принимать сигналы базовых станций, то есть при звонке на него услышите соответствующее сообщение автоматического информатора сотового оператора.

Что такое генератор водорода и как его сделать своими руками

Как сделать металлоискатель своими руками, помощь новичкам

Как сделать катушку Тесла своими руками?

Как сделать элемент Пельтье своими руками?

Возможно ли сделать бестопливный генератор энергии своими руками?

Что такое магнитный двигатель и как его сделать своими руками?

Источник