Аннотация

В данной работе мной рассматривается одна из проблем защиты от электромагнитного излучения как человека, так и оборудования различного назначения. Проводя анализ технической литературы, я обратил свое внимание еще и на модель клетки Фарадея. И задался вопросом о возможности создания такой клетки в масштабе малом и большом.

Сформулировал гипотезу:

Определил цель работы:

Поставил задачи:

В результате изучил принцип действия клетки Фарадея. В основу работы прибора положена способность электронов в замкнутой электропроводящей оболочке при попадании в электрическое поле приобретать заряд.

Изготовил модель клетки Фарадея. Это коробка непроводящая и алюминиевая поверхность. Выяснил, что устройство задерживает электромагнитное излучение.

Оглавление

Введение …………………………………………………………………..

3

Теоретическая часть ………………………………………………………

4

Глава I. Электромагнитное излучение …………………………………..

4

Физическая сущность электромагнитного излучения. Виды ……

4

Электромагнитное излучение сотовых телефонов ………………

5

Открытие Майкла Фарадея ……………………………………….

6

Глава II . Практическая часть …………………………………………….

9

Изготовление клетки Фарадея ……………………………………

9

Теоретический расчет поглощающего материала для аудитории

11

Заключение ……………………………………………………………….

12

Список литературы ………………………………………………………

13

Приложения ……………………………………………………………..

14

Введение

Иногда я замечал, что в некоторых помещениях начинает ослабевать сотовая связь, а то и полностью исчезает. Заинтересовавшись этим вопросом, я начал изучать причины этого феномена. Оказывается, что так называемая клетка Фарадея вызывает такой эффект.

Гипотеза: реально ли подготовить аудиторию для сдачи экзаменов таким образом, чтобы не было возможности воспользоваться на экзамене интернетом, если все же удалось пронести средства связи в кабинет.

Цель работы: выполнить технический расчет материалов, который необходим для оборудования аудитории.

Задачи работы:

1) Раскрыть сущность понятия электромагнитного излучения;

2) Изучить принцип работы клетки Фарадея;

3) Изготовить модель клетки Фарадея;

4) Применить полученные знания в проектировании.

Объект исследования – электромагнитное излучение.

Предмет исследование – способность материалов задерживать электромагнитное излучение.

Приёмы и методы исследования:

Изучение технической литературы;

Изучение источников в сети интернет;

Изготовление клетки Фарадея;

Расчёт расходного материала.

Теоретическая часть

Глава I. Электромагнитное излучение

1. Физическая сущность электромагнитного излучения. Виды

На человека в процессе жизнедеятельности действуют естественные магнитные поля (магнитное поле Земли, радиоизлучение солнца, атмосферное электричество), а также искусственные электромагнитные поля. Если естественное электромагнитное поле остаётся практически постоянным на протяжении тысячелетий, то уровень искусственных электромагнитных полей сильно вырос за последние десятилетия.

Источниками искусственных электромагнитных полей являются: электромагнитные поля низкочастотного диапазона, которые используются в промышленном производстве высокочастотные поля (радиосвязь, ТВ, радиовещание); электромагнитные поля СВЧ-диапазона (радиолокация, навигация, медицина, сотовая связь).

Виды электромагнитного излучения

Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам. Между диапазонами нет резких переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними условны. Поскольку скорость распространения излучения постоянна, то частота его колебаний жёстко связана с длиной волны в вакууме.

Радиоволны - электромагнитное излучение с длинами волн 5×10-5 - 1010 метров и частотами, соответственно, от 6 × 1012Гц и до нескольких. Радиоволны используются при передаче данных в радиосетях. Радиоволны возникают при протекании по проводникам переменного тока соответствующей частоты. И наоборот, проходящая в пространстве электромагнитная волна возбуждает в проводнике соответствующий ей переменный ток. Это свойство используется в радиотехнике при конструировании антенн. Естественным источником волн этого диапазона являются грозы.

Оптическую область спектра составляет видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Выделение такой области обусловлено не только близостью соответствующих участков спектра, но и сходством приборов, применяющихся для её исследования и разработанных исторически главным образом при изучении видимого света (линзы и зеркала для фокусирования излучения, призмы, дифракционные решётки, интерференционные приборы для исследования спектрального состава излучения и пр.).

Частоты волн оптической области спектра уже сравнимы с собственными частотами атомов и молекул, а их длины - с молекулярными размерами и межмолекулярными расстояниями. Благодаря этому в этой области становятся существенными явления, обусловленные атомистическим строением вещества. По этой же причине, наряду с волновыми, проявляются и квантовые свойства света.

Самым известным источником оптического излучения является Солнце. Его поверхность (фотосфера) нагрета до температуры 6000 градусов и светит ярко-белым светом (максимум непрерывного спектра солнечного излучения расположен в "зелёной" области 550 нм, где находится и максимум чувствительности глаза). Именно потому, что мы родились возле такой звезды, этот участок спектра электромагнитного излучения непосредственно воспринимается нашими органами чувств.

Излучение оптического диапазона возникает, в частности, при нагревании тел (инфракрасное излучение называют также тепловым) из-за теплового движения атомов и молекул. Чем сильнее нагрето тело, тем выше частота, на которой находится максимум спектра его излучения. При определённом нагревании тело начинает светиться в видимом диапазоне (каление), сначала красным цветом, потом жёлтым и так далее. И наоборот, излучение оптического спектра оказывает на тела тепловое воздействие.

Оптическое излучение может создаваться и регистрироваться в химических и биологических реакциях. Одна из известнейших химических реакций, являющихся приёмником оптического излучения, используется в фотографии. Источником энергии для большинства живых существ на Земле является фотосинтез - биологическая реакция, протекающая в растениях под действием оптического излучения Солнца

2. Электромагнитное излучение сотовых телефонов

Сотовая радиотелефония является сегодня одной из наиболее интенсивно развивающихся телекоммуникационных систем. Основными элементами системы сотовой связи являются базовые станции (БС) и мобильные радиотелефоны (МРТ). Базовые станции поддерживают радиосвязь с мобильными радиотелефонами, вследствие чего БС и МРТ являются источниками электромагнитного излучения в УВЧ диапазоне. Важной особенностью системы сотовой радиосвязи является весьма эффективное использование выделяемого для работы системы радиочастотного спектра, что делает возможным обеспечение телефонной связью значительного числа абонентов. В работе системы применяется принцип деления некоторой территории на зоны, или "соты", радиусом обычно 0,5–10 километров.

Базовые станции поддерживают связь с находящимися в их зоне действия мобильными радиотелефонами и работают в режиме приема и передачи сигнала. В зависимости от стандарта, БС излучают электромагнитную энергию в диапазоне частот от 463 до 1880 МГц. Антенны БС устанавливаются на высоте 15–100 метров от поверхности земли на уже существующих постройках или на специально сооруженных мачтах.

Исходя из технологических требований построения системы сотовой связи, диаграмма направленности антенн в вертикальной плоскости рассчитана таким образом, что основная энергия излучения (более 90 %) сосредоточена в довольно узком "луче". Он всегда направлен в сторону от сооружений, на которых находятся антенны БС, и выше прилегающих построек, что является необходимым условием для нормального функционирования системы.

Мобильный радиотелефон (МРТ) представляет собой малогабаритный приемопередатчик. В зависимости от стандарта телефона, передача ведется в диапазоне частот 453 – 1785 МГц. Мощность излучения МРТ является величиной переменной, в значительной степени зависящей от состояния канала связи "мобильный радиотелефон – базовая станция", т. е. чем выше уровень сигнала БС в месте приема, тем меньше мощность излучения МРТ. Максимальная мощность находится в границах 0,125–1 Вт, однако в реальной обстановке она обычно не превышает 0,05 – 0,2 Вт.

3. Открытие Майкла Фарадея

К 1854 году относится такое высказывание Фарадея: "Я уверен, что истину об этой жизни не получить даже самым беспримерным проявлением человеческой мудрости. Она открывается не посредством собственного разума, а благодаря элементарной вере в данное нам свидетельство". Судя по тому, насколько совершенными и удивительными в своей простоте были его опыты, можно сказать, что Фарадей служил науке в прямом смысле верой и правдой.

Майкл Фарадей был знаменит при жизни и на многие десятилетия вперед предугадал развитие научной мысли. Он был настолько противоречивой фигурой, что ученики и последователи считали его гениальные открытия следствием недостаточного образования и не доверяли точности проведенных им экспериментом из-за "странностей" характера ученого. Возможно, в этом есть доля истины: идя в науке своим особым путем, в полном противоречии с господствующим научным мировоззрением, Фарадей нередко находил закономерности и видел взаимные соотношения там, где никто до него их не признавал и не мог видеть...

Майкл Фарадей подарил миру такие гениальные изобретения, как электромагнитная индукция, лежащая в основе производства электроэнергии, электродвигатель, трансформатор и многие другие устройства, которыми мы пользуемся до сих пор.

Расскажу об устройстве, которое он изобрел в середине 19 века. Это так называемая клетка Фарадея.

В основу работы прибора положена способность электронов в замкнутой электропроводящей оболочке при попадании в электрическое поле приобретать заряд, который компенсирует воздействие внешних полей. Таким образом, стенки клетки защищают пространство внутри от воздействия внешнего электромагнитного излучения.

Такая клетка Фарадея может защитить даже человека от электрического разряда. Но и в обратном порядке, излучение, образуемое внутри клетки Фарадея, не выйдет наружу, если сделать ее проводящим слоем внутрь. Поэтому мы, например, защищены от воздействия излучения микроволновой печи, когда находимся рядом с ней во время ее работы.

Почему это устройство назвали клеткой?

Потому что первые проводил именно с металлической клеткой. Да и сегодня промышленные образцы сделаны и выглядят как металлическая клетка, сделанная из хорошо проводящих электричество материалов. Эффективность и мощность ее зависят от толщины материала, из которого она сделана, и соотношения размера проема к длине волны воздействующего внешнего поля.

Клетка Фарадея - принцип работы

Все гениальное просто! Вот и сам принцип работы этого устройства очень прост – когда клетка Фарадея попадает под воздействие электрического поля, свободные электроны внутри материала, из которого она сделана, начинают двигаться, собираясь вместе определенным образом. В результате этого противоположные стенки клетки получают заряды разноименные, создающие новое поле, имеющее противоположное направление к внешнему. Это новое поле компенсирует воздействие внешнего электромагнитного поля, а значит, внутри клетки электрические шумы или электрическое поле отсутствуют.

Этот метод отражения или экранирования работает только при воздействии электрических полей и переменно магнитных, которые ими же и порождаются. Защитить от статического магнитного поля это приспособление не сможет.

Для чего она нужна?

В основном ее используют в промышленности, чтобы защитить аппаратуру от воздействия нежелательного электромагнитного излучения. Например, при установке медицинских томографов. Очень часто используют в лабораториях, где нужно проводить высокоточные измерения и снизить воздействие электромагнитных шумов. При промышленном использовании обычно привлекают специалистов, которые смогут правильно рассчитать все параметры клетки.

В быту свойства этого изобретения чаще всего советуют использовать для защиты всевозможных электронных устройств (мобильные телефоны, планшеты и т. д.) от повреждения электромагнитным излучением или импульсом (волной). Эта волна может быть вызвана или каким-то природным явлением, например, вспышками на солнце.

Некоторые из них даже строят себе дома, которые являются «клетками Фарадея», чтобы полностью защититься от возможного влияния электромагнитных излучений. Пример такого дома вы видите на картинке выше. В жилище его хозяин сможет точно пережить любой катаклизм. Особенно популярна эта тема среди людей, которые боятся всякого рода излучений и их влияния на здоровье, а также среди верящих во всемирную катастрофу и готовящихся к выживанию после нее.

Глава II . Практическая часть

1. Изготовление клетки Фарадея

Наиболее простым вариантом изготовления клетки Фарадея своими руками может стать любой предмет с герметичным корпусом, электропроводящим наружным слоем и не проводящим электричество слоем внутри.

Таким предметом может стать буквально любой предмет домашнего обихода, который можно закрыть. Форма может быть самая разная: коробка, цилиндр, сфера – в общем-то, что угодно. Внутреннюю часть нужно сделать из любого материала, который не проводит электричество: картон, бумага, дерево, пластик и т. д. Поэтому проще всего взять уже готовый металлический предмет и вставить внутрь непроводящий электричество слой или, наоборот, взять предмет из не проводящего электричества слоя и обернуть его внешние части проводящим слоем (например, фольгой). Даже если вы просто обернете свой прибор в фольгу – это уже будет простейшая клетка Фарадея, своими руками сделанная.

Обратите внимание! Наибольшей эффективностью обладают самодельные клетки, сделанные из деревянно-каркасных конструкций с использованием сеток из меди или алюминия. Если вы решили произвести монтаж клетки Фарадея из уже готового металлического предмета, то удостоверьтесь, что крышка и ящик имеют хороший контакт, который обеспечивает надежную защиту от проникновения излучения внутрь. А также, что предмет сделан из гальванизированного метала.

Из обычного мусорного металлического бака, металлического ящика или неэмалированного ведра с крышкой тоже можно сделать клетку Фарадея, просто выложив внутреннюю поверхность картоном.

Вот такой старый ящик для инструментов может стать прекрасной основой для данного прибора.

Может ли клетка иметь отверстия?

Если эти отверстия относительно небольшие по отношению к длине волны, тогда да, она может иметь отверстия. Например, для волны в 1 ГГц составляет 0,3 м в свободном пространстве, поэтому если в клетке отверстия меньше этого значения, все в порядке! Поэтому так часто строят клетки из сетки.

Что делать с дверью?

Если вы собираетесь построить большую клетку с дверью или зазорами между крышкой и основанием, тогда возможно небольшое проникновение электромагнитного излучения внутрь клетки. Поэтому лучше всего для такого рода конструкций использовать на швах ленту или материал, который проводит электричество и при этом закрывает шов.

Что можно использовать из подручных средств?

Разрешается использовать все, что видите в своем доме, если это сделано из проводящих материалов. Примеров можно привести много:

металлические мусорные баки;

ведра;

ящики;

коробки;

корпуса микроволновок и т. д.

Нужно ли заземлять конструкцию?

До сих пор не единого мнения по поводу того, нужно ли заземлять клетку Фарадея или нет.

Но это зависит от многих факторов - размеров, где и для чего она будет использоваться и т. д. Но общие правила таковы: заземлять не нужно маленькие конструкции, а вот для больших это сделать необходимо.

В большой клетке может возникнуть электромагнитное излучение, которое может навредить человеку, если он случайно коснется работающего прибора. Тогда как в маленького размера клетке излучение небольшое.

Поэтому перед тем как продумывать конструкцию, внимательно изучите рекомендации по заземлению.

Как проверить работу клетки Фарадея?

Можно положить внутрь работающий радиоприемник с включенным каким-то сильным FM-каналом. Если после того как закроете клетку вы все еще слышите работу радиоприемника, значит, она недостаточно плотно закрыта.

Или можно положить внутрь мобильный телефон и попробовать позвонить на него. Если телефон будет вне зоны приема, значит, клетка работает хорошо.

Итак, вы знаете теперь, что такое, для чего нужна и как сделать клетку Фарадея своими руками. Покупая готовую клетку или решая сделать ее самостоятельно, убедитесь, что размер соответствует ваши нуждам, и вы сможете поместить в нее все, что хотели. Нужна ли она для проведения научных экспериментов или для защиты электроники от воздействия электромагнитного излучения, не столь важно. Вы всегда можете легко сделать вашу собственную клетку Фарадея из подручных средств.

2. Теоретический расчет поглощающего материала для аудитории

Выбираю коробку и проводящий материал для будущей простой модели клетки Фарадея.

1. Коробка из диэлектрика (полипропилена) от видеокассеты VHS .

2. Рулон пищевой проводящей алюминиевой фольги.

Совершаю технологическую сборку модели с помощью клея . Произвожу испытания клетки.

А. Сначала совершаю дозвон на телефон, который в закрытой коробке. Тот оказывается вне зоны действия сети.

Б. Затем пытаюсь совершить дозвон с телефона, который в закрытой коробке. Внешний телефон никак не реагирует.

Расчет расходного материала для кабинета физики:

Длина – 6 м; ширина – 5 м; высота – 3 м; общая площадь – 126 м 2 (потолок, пол, четыре стены);

Пенофол: 4 рулона (30 м·1,2 м·4 мм) – 8120 рублей;

Гипсокартон – 25 листов (1,2 м·3,0м) - 8850 рублей (без учета пола и стеклопакетов);

Ленолеум 30 м 2 - 4800 рублей;

Обои или фотообои;

Саморезы для гипсокартона;

Шпатлевка и грунтовка для стен и арматурная лента.

Общая цена 21770 рублей.

Заключение

Изучил принцип действия клетки Фарадея. В основу работы прибора положена способность электронов в замкнутой электропроводящей оболочке при попадании в электрическое поле приобретать заряд;

Изготовил модель клетки Фарадея. Это коробка непроводящая и алюминиевая поверхность. Выяснил, что устройство задерживает электромагнитное излучение;

Произвел расчет и стоимость материала для класса, в котором будет проходить экзамен. Потребовались такие основные материалы как гипсокартон и пенофол. Финансовые затраты: 21770 рублей. Кудрявцев П. С. Фарадей. – М., 1969.

Радовский М. И. Михаил Фарадей. Библиографический очерк. – М., 1946.

Радовский М. И. Фарадей. – М., 1936.

Фарадей М. Экспериментальные исследования по электричеству. Пер с англ. Е.А. Чернышевой и Я.Р. Шмидт – Чернышевой. – АН СССР. 1947.

Приложения

Изготовление клетки Фарадея

Испытание клетки Фарадея

Владелец коктейль-бара в Восточном Суссексе несколько лет наблюдал за тем, как его клиенты практически не общаются друг с другом, утыкаясь в дисплей телефона сразу по приходу в заведение. Даже дружные компании превращались в сборище одиночек после того, как из карманов и сумок доставались телефоны.

Стив Тайлер (Steve Tyler), так зовут владельца бара, решил вернуть старые добрые времена. Для этого он установил в стенах и потолке бара металлическую сеть, которая блокирует сигнал сотовой вышки, не давая ему пройти дальше. Сеть надежно блокировала сигнал сотовой сети, так что в баре пользоваться смартфоном или планшетом с 3G модулем стало бессмысленно. Ни поговорить, ни початиться нельзя. По мнению мистера Тайлера, этот шаг позволил посетителям его бара «стать частью реального мира» и вспомнить о других людях.

То, что установил владелец бара, называется клетка Фарадея . Это система, изобретённая английским физиком и химиком Майклом Фарадеем в 1836 году для экранирования аппаратуры от внешних электромагнитных полей. Обычно такая система представляет собой заземлённую клетку, выполненную из хорошо проводящего материала.

Защищает она лишь от электрического поля, статическое магнитное поле внутрь клетки проникает. 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.

Клетка, которую создал Тайлер, по его собственным словам не является идеальной. Она состоит из серебряной фольги и медной проволочной сети. И хотя надежность системы не 100%, посетители все же потеряли возможность общаться по телефонам. Вместо этого, как утверждает Тайлер, они начали разговаривать друг с другом.

Такой способ блокирования сигнала сотовых и беспроводных сетей Тайлер выбрал потому, что системы подавления сотовой связи, называемые обычно «глушилками» незаконны. Запрещены они не только в Великобритании, но и США. Не так давно Федеральная комиссия по связи (FCC) наказала жителя штата Флорида, США, который использовал мощную глушилку сотовой связи на дороге. Он прятал устройство под сиденьем своего автомобиля Toyota Highlander.

В этом же году 63-летнего жителя Чикаго осудили и приговорили к штрафу за использование такого устройства в поезде с 2014 года. Ловить его пришлось дольше, чем Хамфриса. А проблема заключалась в том, что владелец глушилки мог глушить не только бытовые разговоры людей, но и звонки в службу спасения и полицию. Подозреваемого обнаружили, когда он заглушил связь на телефоне находящегося рядом сотрудника полиции в штатском.

Можно было бы ожидать, что люди будут жаловаться на владельца бара, где заведомо нельзя использовать телефон. Но нет, единственная жалоба поступила от человека, который заметил, что его телефон работает. И его пересадили за другой столик, где сигнал полностью блокировался. По мнению Тайлера, установка клетки Фарадея не запрещена законом. Это пассивный, а не активный способ подавления сотового сигнала. Слова Тайлера подтверждает представитель компании Ofcom: «В отличие от глушителей, клетка Фарадея пассивна, хотя и влияет на прием сигнала».

«Мобильные телефоны стали частью нашей жизни, и если мы идем в бар, клуб или другое место, мы часто берем с собой сотовые. Но телефоны - асоциальный фактор», - говорит Стив Тайлер.

На столиках установлены ретро-телефоны, по которым клиенты могут сделать заказ или пообщаться с другими клиентами заведения.

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

КЛЕТКА ФАРАДЕЯ И ДИЭЛЕКТРИКИ

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.