Клетка фарадея принцип работы

Клетка Фарадея

Клетка фарадея принцип работы

> Теория > Клетка Фарадея

В 1836 году легендарным английским учёным Фарадеем было изобретена установка для экранирования пространства от воздействия внешних электромагнитных полей. Изобретение получило название «Клетка или щит Фарадея». На английском языке это пишется как «FARADAY SHIELD».

Цеховое сооружение в виде клетки Фарадея

Принцип действия

Клетка Фарадея (КФ) представляет собой защитное сооружение, ограждающие плоскости которого сделаны в виде решёток из металлических стержней высокой электропроводности с заземлением. Принцип работы установки довольно прост.

Когда электрическое поле «соприкасается» с поверхностью решётки, электроны металлических стержней начинают активное движение. Противоположные поверхности конструкции заряжаются таким образом, что вместе они противостоят проникновению внешних электрических полей.

Что касается магнитного поля, то по причине своего переменного свойства оно просто не успевает проникнуть сквозь металлическую сетку. Всё, что находится в клетке Фарадея, надёжно защищено от воздействия внешнего электрического поля и электромагнитных волн. Плоскости, ограждающие пространство из металлических сеток, называют экранами.

Самый простой пример, где используется эффект Фарадея, – это микроволновая печь. Атрибут кухонного оборудования можно встретить практически в каждом жилище.

Передняя прозрачная панель покрыта металлизированной решёткой, остальной металлический корпус печи дополняет конструкцию КФ.

Решётка экранирует, как исходящее излучение телефона, так и не пропускает внешние электромагнитные волны. В результате аппарат оказывается вне зоны действия связи.

Сферы применения эффекта КФ

Свойства экранизированного пространства с успехом используют в различных сферах человеческой деятельности. Это могут быть отдельные помещения, небольшие ёмкости и даже рабочая одежда.

РЧ-кабина

Радиочастотная кабина представляет собой экранированное помещение. Под покрытием стен, потолка и пола заложены решётки, сделанные из немагнитных металлов, имеющих высокую проводимость. Конструкции могут принимать различные объёмы и конфигурации – это РЧ-комнаты, кабинеты и боксы.

МРТ помещения

Таким образом, обустраивают кабинеты МРТ (помещения с аппаратурой для проведения магнитно-резонансной томографии). Клетка Фарадея обязательно должна иметь заземление.

Назначение ограждений помещения состоит в том, чтобы не пропускать внутрь электромагнитные помехи от внешних источников излучения. Этим добиваются высококачественных результатов магнитно-резонансной томографии без каких-либо искажений.

Экранированный кабинет МРТ

Для обеспечения полноценной работы в РЧ-кабине необходимо соблюдать следующие условия:

  • должен быть правильно определен рабочий диапазон частот;
  • материалы для экранов ограждающих конструкций, в том числе для РЧ-окон и дверей, должны отвечать техническим требованиям;
  • узлы экранов и способы их соединения между собой, а также крепление их к стенам, полу и потолку, экранирование коммуникаций различного назначения должны быть выполнены строго в соответствии с проектной документацией;
  • кабели должны быть установлены таких типов и размеров, какие указаны в проекте.

Важно! Проектирование кабины МРТ в каждом случае определяется сугубо индивидуальным подходом. Созданием и обустройством РЧ-кабин занимаются специализированные предприятия, имеющие соответствующий пакет разрешающих документов.

Лаборатории

В научно-исследовательских учреждениях и в заводских условиях востребованы помещения, изолированные от воздействия внешних электромагнитных «шумов». Для организации таких лабораторий привлекаются специализированные фирмы, которые производят расчёты и устанавливают ограждения.

Защитные костюмы

Металлизированные костюмы являются индивидуальными КФ. Рабочая одежда изготавливается из нитей нержавеющей стали, серебра и меди. При временном отключении линии электропередачи длиною несколько километров в проводах остаётся большой статический заряд. Поэтому во время инспекции и при ремонте электропередающих средств работники одевают защитные костюмы.

Инспектор на линии ЛЭП в защитном костюме

Безопасная рабочая одежда предназначена для предотвращения воздействия:

  • промышленного электрического поля;
  • тока от переменных электромагнитных полей;
  • активного электромагнитного потока во время развода контактов разъединителей;
  • тока от прикосновения к заземлённым предметам, грунту, дереву или кустарнику;
  • шагового напряжения.

В мире развлечений

Давно популярны аттракционы с демонстрацией электрических разрядов, центром которых является клетка Фарадея. Эффектно смотрятся ветвистые потоки молний вокруг человека, не причиняя ему никакого вреда.

Аттракцион возможностей клетки Фарадея

Обратите внимание! Несмотря на бытующее мнение о том, что боязнь людей электромагнитного излучения надумана, проблема проживания вблизи мощных ЛЭП довольно актуальна. Можно встретить частные постройки, полностью изолированные от влияния внешних негативных излучений. До сих пор до конца не изучена степень опасности воздействия электромагнитных волн на человека.

Надо ли делать заземление

Нуждается клетка Фарадея в заземлении? Это зависит от величины защитной конструкции. Существует мнение, что небольшие клетки не нуждаются в заземлении. Большие сооружения должны быть обязательно заземлены. Дело в том, что в них может накапливаться мощный заряд, который может «выстрелить» в человека, случайно коснувшегося решётки.

Клетка Фарадея своими руками

Изобретение в бытовых условиях часто используют для защиты домашних электронных приборов (смартфонов, планшетов и т.д.). Для изготовления своими руками КФ используют любую подходящую по объёму ёмкость, будь то коробка, кастрюля, ведро или мусорный бак.

Ёмкость обязательно должна плотно закрываться крышкой. Внутреннюю поверхность необходимо покрыть диэлектрическим материалом.

Пример изготовления КФ в домашних условиях

Для хранения различных гаджетов и небольших приборов можно использовать такой предмет, как обыкновенный фанерный ящик. Поступают следующим образом:

  1. Фанеру очищают от пыли и загрязнений;
  2. Разрезают рулон пищевой фольги на нужные отрезки;
  3. Оборачивают всю внешнюю поверхность ящика и его крышку фольгой матовой стороной внутрь;
  4. Места соединений изоляции скрепляют скотчем;
  5. На дно ящика укладывают один или несколько ковриков для компьютерной мышки;
  6. Проверяют плотность прилегания крышки к ящику по всему периметру, не допуская зазоров и разрывов фольгированной поверхности.

В случае использования металлической ёмкости нужно позаботиться об изолировании внутренней поверхности клетки картоном или листами фанеры. Так бывает, когда домовладельцы устраивают КФ в одной из своих комнат.

Клетка Фарадея, сделанная своими руками в доме

Тестирование КФ

Самый простой способ проверить работоспособность клетки заключаются в том, что внутрь помещают радиоприёмник, настроенный на мощный FM-сигнал и включённый на полную громкость. В правильно сделанной клетке воцарится полная тишина. Если всё же приёмник будет работать даже очень тихо, нужно искать причину в наличии разрывов в экранированной поверхности конструкции.

Таким же способом можно тестировать КФ с помощью мобильного телефона. Попав в клетку, мобильник сразу же окажется вне зоны действия. Чтобы в этом убедиться, достаточно набрать его номер – телефон будет молчать.

Дополнительная информация. Необходимо помнить о том, что длина волны 1 ГГц равняется 30 см. При максимальной величине ячейки сетки 3 х 3 см безопасность будет обеспечена. Поэтому в целях экономии вместо сплошного материала применяют сетки.

Клетка Фарадея – это гениальное изобретение великого английского учёного того времени остаётся по-прежнему актуальным по сей день. С появлением на рынке новых материалов возможности по созданию КФ различной конструкции значительно расширяются.

Клетка Фарадея. Работа и применение. История и особенности

Клетка фарадея принцип работы

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.

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.
  • Экранирующие оболочки USB-кабеля или телевизионного коаксиального кабеля защищают внутренние проводники от воздействия внешних помех и предотвращают утечку полезного высокочастотного сигнала.
  • Сумка магазинного вора (пластиковый пакет, выложенный изнутри алюминиевой пленкой), действует как клетка Фарадея и используется магазинными ворами для кражи товаров, снабженных радиометками.

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.

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 принцип работы. Владелец бара в англии установил клетку фарадея для блокирования сотовой связи в заведении

Клетка фарадея принцип работы

В далеком 1836 году некий английский ученый Майкл Фарадей провел весьма любопытный и познавательный опыт. Согласно его указаниям, большую деревянную клетку оклеили листами оловянной бумаги (станиоля).

Затем она была изолирована от земной поверхности и сильно заряжена при помощи Разность потенциалов такой конструкции с землей была настолько сильной, что при приближении к ней тел, соединенных с земной поверхностью, с ее внешней поверхности вылетали искры.

Неудивительно, что данная клетка Фарадея многим очевидцам внушала страх. Сам английский физик находился внутри своей конструкции, держа в руках очень чувствительный электроскоп.

Что позволила выяснить клетка Фарадея?

В ходе испытания полностью исправный прибор показывал в руках физика полное отсутствие электрического заряда. А это означает, что подобную конструкцию можно эффективно использовать в роли ограждающего щита.

Позже удалось выяснить, что способность такого экрана к нейтрализации электромагнитного излучения во многом зависит от толщины его материала, глубины эффекта поверхности и соотношения размеров проемов с длиной воздействующих волн.

Таким образом, позволили людям найти способ защитить чувствительную аппаратуру и здоровье человека от вредного воздействия мощного Данное свойство получило широкое применение на практике, и сложно представить, что было бы с человечеством, если бы не изобретательность и смелость отважного физика.

Как действует клетка Фарадея?

Когда замкнутая электропроводящая оболочка попадает в электрическое поле, оно начинает воздействовать на свободные электроны, в результате чего противоположные стороны такой конструкции приобретают заряды, создающие в свою очередь поле, полностью компенсирующее внешнее воздействие. Следует отметить, что клетка Фарадея может защитить лишь от электрического поля.

А магнитное поле, при условии что оно статично, свободно проникает внутрь. Поэтому компас внутри такой конструкции будет работать правильно.

В случае же динамического электрополя происходит следующая вещь: оно создает динамичное магнитное поле, которое, согласно законам физики, генерирует свое меняющееся электрополе, препятствующее созданию магнитного поля внутри такого экрана.

Современные клетки Фарадея

В настоящее время открытое английским физиком явление используется для радиочастотных кабин, экранированных комнат, РЧ-боксов. Такие помещения широко используются везде, где нужно обезопасить человека от электрического поля.

В качестве электропроводящего материала теперь обычно применяют мелкую металлическую сетку либо листы перфорированной стали, а сами конструкции обязательно заземляют для того чтобы рассеять любые электрические токи, которые могут появиться от внешних излучений.

Кроме того, клетка Фарадея широко применяется для проведения всевозможных тестов компьютерного оборудования, электронных компонент и т. д. Существуют даже специальные индивидуальные экранирующие комплекты, а некоторые компании предлагают для большей безопасности экранировать людям свои квартиры.

КЛЕТКА ФАРАДЕЯ И ДИЭЛЕКТРИКИ

Если бы мы могли перенестись в Королевский институт в конце 1835 года, мы бы увидели Фарадея, погруженного в конструирование необычного гигантского приспособления. Оно было настолько огромным, что его пришлось переместить в лекционный зал института: размеры лаборатории в подвале не могли вместить огромный деревянный каркас, покрытый алюминиевыми листами.

Несведущий наблюдатель, вероятно, решил бы, что Фарадей конструирует какой-нибудь вид оружия, что-то вроде боевого танка. Может быть, это было похожим на клетку для фантастического существа, заземленную и подсоединенную к электростатическому генератору.

Но внутри нее был только сам Фарадей, он сидел там в ожидании, пока его ассистент, сержант Чарльз Андерсон, подаст заряд на клетку, и от нее полетят искры.

Эксперимент несколько напоминал книгу о докторе Франкенштейне, когда его изуродованный помощник подключал электрический аппарат, чтобы вернуть тело к жизни. Однако Фарадей не ожидал получить от электричества никакой живительной силы.

Он надеялся на обратное – не произойдет вообще ничего – и достиг этого: даже самые точные измерительные аппараты не смогли обнаружить никаких электрических эффектов внутри клетки, как будто она ограждала сидящего внутри от искрящего повсюду электричества.

Эта система экранирования получила название клетки Фарадея и в последующем начала использоваться для защиты чувствительных инструментов от радио- или электромагнитных явлений.

Например, обычный лифт, если он представляет собой закрытый металлический ящик, может иметь свойства клетки Фарадея, поэтому часто в лифте не работает мобильная связь. В микроволновках также используется принцип клетки Фарадея для того, чтобы волны не проникали наружу.

Самолеты также функционируют по этому принципу: если молния попадет в самолет, пассажиры останутся невредимы.

В эксперименте, несмотря на то что электростатический генератор подавал ток высокого напряжения, никто и ничто в клетке не подвергалось действию электричества.

Для проверки того, что внутри клетки не было электрических зарядов, Фарадей использовал электроскоп – инструмент, позволяющий обнаруживать и измерять заряд отдельного тела.

Электроскоп показал, что на внутренних стенках клетки заряд не обнаруживается.

Клетка Фарадея при отсутствии электрического поля (слева); заряженные частицы на стенке клетки Фарадея отвечают на приложение электрического поля (в центре); электрические поля внутри стенки устраняют приложенное электрическое поле, нейтрализуя внутреннее пространство клетки (справа).

Принцип работы клетки Фарадея относительно прост (см. схему). Сама клетка – из металла и работает как полый проводник. Когда на нее действует внешнее электромагнитное поле, положительные заряды остаются на поверхности, а отрицательные – электроны – свободно перемещаются по металлу в противоположном направлении по отношении к электрическому полю.

На одной стороне клетки собираются электроны, с другой стороны образуется их недостаток. При поляризации проводника генерируется внутреннее электрическое поле такой же величины, но противоположное по направлению внешнему полю, поэтому сумма полей внутри проводника равна нулю. Силы нейтрализуют сами себя.

Благодаря явлению электростатического экранирования ни один заряд не может пройти через клетку, так как внутри нее поле отсутствует.

автора Горелик Геннадий Ефимович Из книги 5b. Электричество и магнетизм автора Фейнман Ричард Филлипс

От силовых линий Фарадея до поля МаксвеллаТалантливому человеку сделать великое открытие иногда помогает даже недостаток образования. Сын кузнеца, ученик переплетчика, Фарадей был самоучкой, но своим интересом к науке и способностями обратил на себя внимание видного

Из книги Фарадей. Электромагнитная индукция [Наука высокого напряжения] автора Кастильо Сержио Рарра

Глава 10ДИЭЛЕКТРИКИ§1. Диэлектрическая проницаемость §2. Вектор поляризации Р §З. Поляризационные заряды§4. Уравнения электростатики для диэлектриков§5. Поля и силы в присутствии диэлектриков§ 1. Диэлектрическая проницаемостьСейчас мы разберем еще одно характерное

Из книги автора

СЕКРЕТЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО УСПЕХА ФАРАДЕЯСреди характерных черт Фарадея (например, способность к самообучению и влияние религии на мышление) нужно подчеркнуть и его приверженность в исследованиях некоторым интеллектуальным установкам, которые помогли ему добиться

Из книги автора

ПЕРЕВОД ИДЕЙ ФАРАДЕЯ НА МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ЯЗЫКЭлектричество не могло быть жидкостью, проходящей по проводу, оно должно было генерироваться невидимой силой, как и линии магнитного поля, однако в данном случае линии шли от одного заряда к другому. Это невидимое поле, по

Из книги автора

ДИЭЛЕКТРИКИВ 11-м выпуске серии «Экспериментальные исследования по электричеству» (1855, Experimental Researches in Electricity) Фарадей предлагает в качестве первого принципа науки об электричестве индукцию как свойство вызывать противоположное состояние, а также дает новое определение

Из книги автора ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ МАГНЕТИЗМОМ И СВЕТОМ: ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯХотя казалось, что свет и магнетизм не имеют ничего общего, на самом деле они взаимосвязаны. Всякий раз, когда мы до чего-нибудь дотрагиваемся, атомы наших пальцев вступают во взаимодействие с атомами этого
Из книги автора

НАСЛЕДИЕ ФАРАДЕЯГлубокая духовность и способность к самообразованию подталкивали Фарадея к неутомимым поискам взаимосвязи между движением, магнетизмом и электричеством, как будто между частями Троицы – отдельными, но неразделимыми. Благодаря этой концепции

Наименование органаУправления образованияАдминистрация Таймырского Долгано-Ненецкого муниципального района Управления образования
Наименование образовательного учрежденияТаймырское муниципальное казённое общеобразовательное учреждение «Дудинская средняя школа № 7»
Наименование конференцииМуниципальная научно-практическая конференция исследовательских и проектных работ «Золотое перо»
Вид работыИсследовательская работа
Наименование направления (секция)Физико-математическое направление
Наименование темы работы«Клетка Фарадея»
Ф.И.О

автора

Мастюгин Дмитрий Сергеевич, 28.05.2000 г.р.

Домашний адресг. Дудинка, ул. Дудинская, д.13, кв.328Место учёбыТМК ОУ «Дудинская школа № 7»Класс9 «Б»Научный руководительПрохоров Денис ВикторовичКонтактный телефон

Майкл фарадей. клетка фарадея. принцип действия и применение

Клетка фарадея принцип работы

Ключевые слова: ФАРАДЕЙ; КЛЕТКА; ЗАРЯД; ЭЛЕКТРОМЕТР; ОПЫТ; ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ; ПЕРЕДАЧА; СИСТЕМА; ЧАСТОТА; FARADAY; CELL; CHARGE; ELECTROMETER; EXPERIMENT; ELECTRIC POWER; TRANSMISSION; SYSTEM; FREQUENCY.

Аннотация: В данной работе раскрывается актуальная тема «Майкл Фарадей. Клетка Фарадея. Принцип действия и применение». Рассматриваются некоторые стороны жизни ученого, его биография. Изучается принцип действия и область применения «Клетки Фарадея».

Майкл Фарадей (1791-1867) – английский физик-экспериментатор и химик, иностранный почётный член Петербургской академии наук. Скромные доходы семьи не дали Майклу окончить даже среднюю школу. С 13 лет начинает работать разносчиком газет, его отдают в переплетную мастерскую, которая находилась при книжной лавке.

Майкл с интересом читал книги, особенно впечатляли его труды по химии и статьи тогда новой отрасли – электричество. Один из посетителей лавки обращает на молодого переплетчика внимание и дарит ему билет на лекции английского химика Г.Деви. Позже юноша заявляет, что хотел бы у него работать, но Г.Деви отказывал ему.

Через несколько дней проводя химический опыт, ученый повредил глаз, и ему срочно понадобился ассистент. Так Фарадей становится ассистентом в знаменитом королевском институте. Он опубликовал более 40 статей.

После того, как датский физик Ханс Кристиан Эрстед в 1820 году открыл магнитное поле электрического тока Фарадей заинтересовался связью электрическими и магнитными полями. Спустя год он делает первое свое открытие, заставив магнит вращаться вокруг проводника с током. [1]

Размышляя о взаимодействии различных видов энергии, Майкл Фарадей поставил перед собой цель — превратить магнетизм в электричество. С этой целью он справился. В августе 1831 года ученый обнаружил явление электромагнитной индукции и создал первый в мире электрогенератор.

В 1848 году он открыл так называемый «Эффект Фарадея» это было первое указание на существование связи между оптикой и электромагнетизмом. Он писал, что намагнитил свет и осветил магнитную силовую линию.

12 марта 1862 года описал последний лабораторный опыт под номером 16041. [2]

Клетка или «Щит Фарадея» — представляет собой замкнутое пространство, которое предотвращает прохождение электромагнитного поля.

Чаще всего это заземленная клетка, изготовленная из таких материалов, которые хорошо проводят ток. Названа она именем Майкла Фарадея, который изобрел ее в 1836 году.

Ученый выясняет, что на заряженном проводнике избыточный заряд локализуется только на его внешней стороне и предметы находящиеся изнутри никакому воздействию не подвергаются.

Чтобы представить полную картину об этом факте Фарадей оборудует комнату, которую покрывает пленкой из металла и с помощью электростатического генератора подает высоковольтный заряд на наружную сторону комнаты.

С помощью электроскопа доказывает, что на внутренней части стены комнаты нет зарядов электричества. Во внутренней части комнаты электроскоп показывал, что заряд отсутствует, в то время, когда электроскоп, который присоединен к внешней части показывал обратное.

Для полноты исследования, внутрь клетки помещались небольшие животные. Электростатический генератор подавал высоковольтные электрические разряды на клетку, но для животных не было никакого вреда, так как заряд стекал по поверхности клетки.

Клетка Фарадея действует по следующему принципу: наружное электрическое поле приводит распределение свободных электронов в материале, проводящем ток клетки, таким образом, что противоположные стороны клетки заряжаются. Наружное поле компенсируется их полем, а поле с внутренней стороны отсутствует. [3]

Клетка Фарадея применяется не только в медицине, но и там где требуется безопасная работа человека и оборудования. Клетка Фарадея находит применение: в радиочастотных боксах, в кабинетах рентгена и магнитно-резонансной томографии, даже в микроволновках. Комната, где находится магнитно-резонансный томограф, излучающий магнитные поля, требует особой защиты поскольку:

1. Защищает пациентов и персонал клиники.2. Предотвращает влияние электромагнитных помех на показания приборов.

3. Устраняет воздействие магнитного излучения на объекты, которые находятся в кабинете.

Что такое клетка Фарадея

Это название применяют для обозначения конструкций, препятствующих проникновению электромагнитных волн в определенное пространство. Отдельные элементы создают из проводников. В некоторых ситуациях для повышения уровня безопасности применяют контур защитного заземления.

Почему это устройство назвали клеткой

Электромагнитное излучение

Специфическое наименование – сетка Фарадея, объясняется конструктивными особенностями. Известный ученый соединил токопроводящие элементы соответствующим образом для создания защитной оболочки.

Точные сведения о решении экспериментатора отсутствуют. Однако можно сделать предположение о рациональном использовании подручных средств.

Понятно, что для изготовления сплошной оболочки с аналогичной толщиной стенок придется расходовать больше материалов.

Сферы применения эффекта КФ

Закон электромагнитной индукции — формула

Следующие примеры поясняют, как может использоваться решетка Фарадея:

  • действенная молниезащита – силовой каркас автомобиля с элементами кузовных деталей;
  • сетка в стенах рабочей зоны способна защитить персонал от излучения локатора;
  • аналогичная конструкция предотвратит распространение волн из антенны передатчика вышки сети мобильной связи в сторону квартир жилого дома;
  • автосигнализация не сможет передать сигнал на ключ брелок хозяина, если преступник поставит угнанную машину в металлический кузов грузового фургона.

РЧ-кабина

Для экранировки внешних или внутренних излучений в стенах помещений устанавливают сетчатый слой из токопроводящих материалов. В зависимости от целевого назначения, создают защищенный объем определенного размера.

МРТ-помещения

Проектную документацию для таких объектов разрабатывают с учетом особенностей диагностического оборудования и действительного уровня электромагнитных помех. Как правило, вместо решетчатых конструкций применяют сплошное металлическое экранирование медной фольгой. Предотвращают проникновение излучения в зону работы аппаратуры МРТ через оконные и дверные проемы.

К сведению. Для повышения эффективности защитный металлический слой подключают к штатной системе заземления.

Лаборатории

Как и в предыдущем примере, для надежной защиты приборов и предотвращения ошибок при выполнении научных экспериментов требуется предварительная подготовка. Кроме общей загрязненности помехами, проверяют чувствительность измерительной техники.

Защитные костюмы

Рассматриваемые принципы применяют для создания средств индивидуальной защиты обслуживающего персонала линий электропередач. В некоторых ситуациях на отдельных участках трассы накапливаются значительные статические заряды. Задачу решают с помощью металлических нитей, вшитых в одежду. Специальные костюмы обеспечивают защиту от «шагового» напряжения, около контактных групп.

В мире развлечений

Безопасность внутренней зоны клетки Фарадея используют для создания эффектных аттракционов, шоу программ. Сильный шум и яркие вспышки оказывают необходимое эмоциональное воздействие на публику. Вместе с тем специальные костюмы или подготовленные области сцены надежно защищают участников представления от поражения электрическим током.

«Повелители молний» демонстрируют свои навыки в безопасных условиях

Изготовление клетки Фарадея своими руками

Компьютеры, телевизоры, иная техника с полупроводниковыми деталями повреждается сильным электромагнитным излучением. Чтобы исключить частый ремонт дорогих изделий, можно создать клетку Фарадея своими руками для защиты одной комнаты или квартиры в целом.

Может ли клетка иметь отверстия

Чтобы рассчитать приемлемые размеры ячеек, нужно уточнить параметры электромагнитных помех. Для защиты от излучения передатчиков сотовой связи выясняют соответствующий диапазон.

Так, если рабочая частота – 1 880 Мгц, длина волны составит приблизительно 15,9 см. Уменьшив это значение в 8-10 раз, получают необходимый результат ≈2 см.

На этом расстоянии размещают отдельные элементы решетчатой конструкции.

Что делать с дверью

Щели способны пропускать волны даже при минимальной ширине, которая вычислена по рассмотренной выше методике. Это значит, что соответствующие части дверных проемов нужно закрыть мягкой сеткой из токопроводящего материала.

Что использовать из подручных средств

Для изготовления защищенной зоны можно использовать вышедший из строя холодильник либо другой корпус бытовой техники, металлическое ведро или мусорный бак. Действующую конструкцию необходимых размеров собирают из фанерных листов. Обклеивают наружные поверхности пищевой фольгой. Нужно создать цельный слой без щелей и других дефектов.

Нужно ли заземлять конструкцию

В профессиональных проектах стационарные защитные системы этой категории заземляют. Как правило, аналогичные решения применяют при создании крупных клеток собственными руками. Большие конструкции способны накопить значительную разницу потенциалов на противоположных стенках, поэтому применение таких мер обеспечит необходимый уровень безопасности.

Как проверить работу клетки Фарадея

Затратив определенное время, хочется проверить действительные защитные свойства созданного сооружения. Простейший способ – поместить внутрь клетки сотовый телефон. Звонком или отправлением SMS сообщения на соответствующий номер проверяют отсутствие связи. Аналогичный эксперимент можно выполнить с применением радиоприемника.

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.