Клітка Фарадея або «щит Фарадея» - це замкнутий простірдля запобігання проходженню електромагнітних полів. Клітина виготовляється з суцільного струмопровідного матеріалу або струмопровідної сітки, зазвичай її ще й заземлюють. Названо її так на ім'я англійського вченого Майкла Фарадея, який винайшов її в 1836 році.

Історія відкриття

У 1836 році Фарадей зауважив, що надлишковий заряд на зарядженому провіднику локалізується лише на його зовнішній стороні і не впливає на предмети всередині. Для демонстрації цього факту він обладнав кімнату, покриту металевою плівкою, та подавав на зовнішній біккімнати високовольтного заряду від електростатичного генератора.

Для доказу відсутності електричних зарядів на внутрішніх сторонахстіни кімнати Фарадей використовував електроскоп. Електроскоп усередині кімнати, або при під'єднанні його до внутрішньої поверхні, фіксував відсутність заряду, у той час як у електроскопа, приєднаного до зовнішньої поверхні, Листочки розходилися.

Для демонстрації ефекту виштовхування поля клітину поміщалися невеликі тварини. При підведенні до неї потужного електричного зарядувід електростатичного генератора, заряд не завдавав тваринам жодної шкоди, оскільки стікав її поверхнею.

Хоча прояв цього ефекту був приписаний знаменитому експерименту з циліндром Фарадея (або «відерцем з льодом»), проведеному Майклом Фарадеєм у 1843 році, спостерігав феномен ще 1755 року американський вчений Бенджамін Франклін. Досвід полягав у тому, що Франклін опускав підвішену на шовковій нитці незаряджену пробкову кульку через отвір у заряджену металеву банку. За його словами, «корок не притягувався до внутрішніх стін банки, як він притягувався до зовнішніх. Хоча пробка була опущена до дна банки, за витягуванням з неї вона виявилася незарядженою внаслідок торкання, що спостерігалося, коли пробка торкалася зовнішньої сторони банки». Цей ефект також було відкрито задовго до Фарадея італійським фізиком Джованні Батіста Беккаріа.

Принцип дії

Принцип дії клітини полягає в тому, що зовнішнє електричне поле призводить до перерозподілу вільних електронів у струмопровідному матеріалі клітини таким чином, що протилежні сторони заряджаються. Їхнє поле компенсує зовнішнє поле, і всередині поле відсутнє. Цей принцип найкраще розуміється, якщо клітину уявити ідеальним порожнистим провідником. Перерозподіл зарядів викликає у провіднику електричний струм, який припиняється, коли зовнішнє електричне поле компенсується.

Екрануюча дія замкнутих металевих оболонок була теоретично передбачена в 1813 французьким математиком і фізиком Симеоном Дені Пуассоном. Пізніше, 1828 року, англійським математиком та фізиком Джорджем Гріном. Пророцтво вчених ґрунтувалося на тому, що всередині замкнутої металевої оболонки електричний потенціал постійний, отже, напруженість електричного поля дорівнює нулю, що і є доказом її властивостей, що екранують.

Клітина Фарадея неспроможна захистити внутрішній простір від постійного чи повільно мінливого магнітного полянаприклад, поля земного магнетизму (компас усередині клітини продовжує правильно показувати на Північ). Але оскільки змінне магнітне поле створюється змінним електричним полем, а змінне електричне поле в клітину не проникає, то не проникає в неї і змінне магнітне поле. Отже, клітина захищає об'єкти (і людини), що знаходяться в ній, від дії електромагнітних хвиль. Для екранування високочастотного випромінювання розмір клітинки клітини повинен бути меншим за довжину хвилі випромінювання.

Ефективність екранування статичного електричного поля залежить від форми струмопровідного матеріалу. У разі змінного електричного поля, і за наявності супутнього магнітного поля, що змінюється, чим швидше ці зміни (тобто чим вище частота), тим краще матеріалпручається проникненню поля. З іншого боку, з підвищенням частоти поле краще проникає через сітку із заданим розміром осередків. У цьому випадку екранування залежить від електричної провідностіматеріалу клітини, і навіть його товщини.

Якщо заряд міститься всередині незаземленої клітини, її внутрішня поверхня заряджається (аналогічно описаному вище процесу із зовнішнім зарядом). Клітина Фарадея блокує вихідні з неї електромагнітні хвилів меншою мірою, ніж вхідні, і, таким чином, прилад стеження, або «маячок», що особливо працює на високій частоті, може «пробити» поверхню клітини, працюючи зсередини.

Ліфти та інші приміщення з металевими провідними каркасами та стінками можуть призводити до зникнення сигналу та появи « мертвих зон» для користувачів стільникових телефонів, рацій та інших електронних пристроївприймає зовнішні радіосигнали.

Для екранування випромінювання працюючого всередині мікрохвильової печіМагнетрон з довжиною хвилі близько 12 см корпус печі виконаний з суцільного металу (нержавіючої сталі). Прозоре вікно дверцят являє собою пакет зі скляних або пластмасових пластин з обов'язковим металевим перфорованим листом між ними. Діаметр отворів у листі не вище 1-3 мм, що повністю виключає вихід випромінювання з мікрохвильової печі. Відсутність просочування випромінювання через щілину між дверцятами та камерою забезпечується особливою конструкцією щілини з розмірами, підібраними під довжину хвилі випромінювання.

Помилка вважатиме, що клітина Фарадея забезпечує повне блокування радіосигналу або його придушення. Ступінь ослаблення клітиною випромінюваного або прийнятого, радіо або телевізійного сигналу залежить від форми електромагнітної хвилі, її частоти і відстані до приймача/передавача. Також їх чутливості та випромінюваної потужності. Клітина з огорожею з сталевого міцного листа забезпечує краще придушення, ніж виконана з сітки.

Застосування

Нижче наведено ряд прикладів використання клітини та подібних пристроїв для захисту людей та обладнання.

• Клітина захищає людей та обладнання від електричних струмів. , що виникають при ударі блискавки та електростатичних розрядах, оскільки клітина обводить струми за межами захищеного простору, без відгалуження їх усередину.
• Салони автомобілів та літаків також є клітинами, які оберігають пасажирів від електричних розрядів блискавок.
• На виробництвах, пов'язаних із наявністю небезпечного електромагнітного випромінювання , цілі цехи та кімнати укладені в клітини Фарадея. Це зберігає людям здоров'я та запобігає низці захворювань.
• Спеціально розроблені електропровідні костюми для монтажників високовольтних ліній електропередач дозволяють працювати на лініях без ризику отримання електротравм від статичного заряду. Подібні костюми запобігають проходженню електричного струмучерез тіло людини, і теоретично захищають від будь-якої напруги. Електрики-високовольтники у таких костюмах успішно працювали на унікальній високовольтній лінії електропередачі Екібастуз-Кокшетау у Казахстані напругою 1150 кВ.
• Клітка Фарадея використовується для огородження генераторів радіовипромінювань (радіопередавачів) та захисту інших електронних пристроїв, що знаходяться поблизу.
• Приміщення для магніторезонансної томографії являє собою клітину Фарадея, і виключено спотворення даних, що знімаються з пацієнта, зовнішніми радіоперешкодами, що порушило б одержуване томографічне зображення.
• У аналітичної хімії Клітина Фарадея застосовується для зниження рівня перешкод при проведенні точних вимірювань.
• За стандартами США та НАТО , та аналогічним стандартам інших країн, клітина застосовується для запобігання витоку інформації з комп'ютерів.
• Клітка Фарадея у вигляді сумки чи чохла використовується для запобігання стирання та зміни зі злочинними намірами цифрових даних на електронних носіях.
• Екрануючі оболонки USB-кабелю або телевізійного коаксіального кабелю захищають внутрішні провідники від впливу зовнішніх перешкод і запобігають витоку корисного високочастотного сигналу.
• Сумка магазинного злодія (Пластиковий пакет, викладений зсередини алюмінієвою плівкою), діє як клітина Фарадея і використовується магазинними злодіями для крадіжки товарів, забезпечених радіомітками.

З цих прикладів видно, що передбачене понад 200 років тому явище, широко популяризоване Майклом Фарадеєм. Повсюдно використовують у науці, техніці, і навіть взято на озброєння кримінальним світом, у своїй встигло обрости безліччю міфів. Один із міфів, відображений у фільмі про інформатора Сноуден, полягає в тому, що мікрохвильова піч повністю блокує випромінювання мобільного телефону. Це не так, частота передачі даних стандарту мобільного зв'язку GSM відрізняється від частоти магнетрону мікрохвильової печі, і щілина між корпусом і дверцятами стає прозорою для сигналу стільникового зв'язку. Тобто. мікрохвильова піч не є клітиною Фарадея в повному розумінніцього поняття – у справжній клітинініяких щілин не повинно бути. З цієї ж причини не блокує поміщений усередину мобільний телефонкамери холодильника.

Майкл Фарадей був відомим англійським вченим-експериментатором, який подарував світові такі геніальні винаходи, як електромагнітна індукція, що лежить в основі виробництва електроенергії, електродвигун, трансформатор та багато інших пристроїв, якими ми користуємося досі.

Але сьогодні ми розповімо про пристрій, що він винайшов у середині 19 століття. Це так звана клітка Фарадея.

В основу роботи приладу покладена здатність електронів у замкнутій електропровідній оболонці при попаданні в електричне поле набувати заряду, який компенсує вплив зовнішніх полів. Таким чином, стінки клітини захищають простір усередині впливу зовнішнього електромагнітного випромінювання.

Така клітина Фарадея може захистити навіть людину від електричного розряду. Але й у зворотному порядку, випромінювання, що утворюється всередині клітини Фарадея, не вийде назовні, якщо зробити її провідним шаром усередину. Тому ми, наприклад, захищені від випромінювання мікрохвильової печі, коли знаходимося поруч з нею під час її роботи.

Чому цей пристрій назвали клітиною?

Деякі навіть будують собі будинки, які є «клітинами Фарадея», щоб повністю захиститися від можливого впливу електромагнітних випромінювань. Приклад такого будинку ви бачите на зображенні вище. У житлі його господар зможе точно пережити будь-який катаклізм. Особливо популярна ця тема серед людей, які бояться різного роду випромінювань та їхнього впливу на здоров'я, а також серед тих, хто вірить у всесвітню катастрофу і готується до виживання після неї.

Як зробити з підручних засобів?

Найбільш простим варіантомвиготовлення клітини Фарадея своїми руками може стати будь-який предмет з герметичним корпусом, електропровідним зовнішнім шаром і шаром, що не проводить електрику, всередині.

Таким предметом може стати будь-який предмет домашнього вжитку, який можна закрити. Форма може бути різна: коробка, циліндр, сфера - загалом, що завгодно. Внутрішню частинупотрібно зробити з будь-якого матеріалу, який не проводить електрику: картон, папір, дерево, пластик тощо. його зовнішні частини провідним шаром (наприклад, фольгою). Навіть якщо ви просто обернете свій прилад у фольгу – це вже буде найпростіша клітинаФарадея своїми руками зроблена.

Зверніть увагу! Найбільшу ефективність мають саморобні клітиниз дерев'яно-каркасних конструкцій з використанням сіток з міді або алюмінію. Якщо ви вирішили зробити монтаж клітини Фарадея з вже готового металевого предмета, то переконайтеся, що кришка та ящик мають гарний контакт, який забезпечує надійний захиствід проникнення випромінювання усередину. А також, що предмет виготовлений з гальванізованого металу.

Ця клітина Фарадея (фото представлено) виготовлена ​​зі звичайного дерев'яного ящика.

Зі звичайного сміттєвого металевого бака, металевого ящика або неемальованого відра з кришкою теж можна зробити клітинку Фарадея, просто виклавши внутрішню поверхню картоном.

Ось такий старий ящик для інструментів може стати чудовою основою даного приладу.

Чи може клітина мати отвори?

Якщо ці отвори відносно невеликі до довжини хвилі, тоді так, вона може мати отвори. Наприклад, для хвилі в 1 ГГц довжина хвилі становить 0,3 м у вільному просторі, тому якщо в клітці отвори менше цього значення, все гаразд! Тому так часто будують клітини із сітки.

Що робити із дверима?

Якщо ви збираєтеся побудувати велику клітку з дверима або проміжками між кришкою і основою, тоді можливе невелике проникнення електромагнітного випромінювання всередину клітини. Тому найкраще для такого роду конструкцій використовувати на швах стрічку чи матеріал, який проводить електрику та при цьому закриває шов.

Що можна використовувати із підручних засобів?

Дозволяється використовувати все, що бачите у своєму будинку, якщо це зроблено з провідних матеріалів. Прикладів можна навести багато:

• металеві баки для сміття;
• відра;
• ящики;
• коробки;
• корпуси мікрохвильових печей і т. д.

Чи потрібно заземлювати конструкцію?

Досі не єдиної думки з приводу того, чи потрібно заземлювати Фарадея клітину чи ні.

Але це залежить від багатьох факторів - розмірів, де і для чого вона використовуватиметься і т.д. загальні правилатакі: заземляти не потрібно маленькі конструкції, а ось для великих це необхідно зробити.

У великий клітціможе виникнути електромагнітне випромінювання, яке може нашкодити людині, якщо вона випадково торкнеться працюючого приладу. Тоді як у маленького розміруклітині випромінювання невелике.

Тому перед тим як продумувати конструкцію, уважно вивчіть рекомендації щодо заземлення.

Як перевірити роботу клітки Фарадея?

Можна покласти всередину працюючий радіоприймач із увімкненим якимось сильним FM-каналом. Якщо після закриття клітини ви все ще чуєте роботу радіоприймача, значить, вона недостатньо щільно закрита.

Або можна покласти всередину мобільний телефон та спробувати зателефонувати на нього. Якщо телефон буде поза зоною прийому, то клітина працює добре.

Отже, ви знаєте тепер, що таке, навіщо потрібна і як зробити клітину Фарадея своїми руками. Купуючи готову клітку або вирішуючи зробити її самостійно, переконайтеся, що розмір відповідає вашим потребам, і ви зможете помістити в неї все, що хотіли. Чи потрібна вона для проведення наукових експериментів або захисту електроніки від впливу електромагнітного випромінювання, не так важливо. Ви завжди можете легко зробити власну клітину Фарадея з підручних засобів.

У далекому 1836 якийсь англійський вчений Майкл Фарадей провів дуже цікавий і пізнавальний досвід. Згідно з його вказівками, велику дерев'яну клітку обклеїли листами олов'яного паперу (станіолю). Потім вона була ізольована від земної поверхні і сильно заряджена за допомогою різниці потенціалів такої конструкції із землею була настільки сильною, що при наближенні до неї тіл, з'єднаних з земною поверхнею, з її зовнішньої поверхнівилітали іскри. Не дивно що дана клітинаФарадея багатьом очевидцям вселяла страх. Сам англійський фізик був усередині своєї конструкції, тримаючи в руках дуже чутливий електроскоп.

Що дозволила з'ясувати клітина Фарадея?

Під час випробування повністю справний прилад показував у руках фізика повна відсутністьелектричного заряду. А це означає, що подібну конструкцію можна ефективно використовувати як огороджувальний щит. Пізніше вдалося з'ясувати, що здатність такого екрану до нейтралізації електромагнітного випромінювання багато в чому залежить від товщини його матеріалу, глибини ефекту поверхні та співвідношення розмірів отворів із довжиною хвиль, що впливають. Таким чином, дозволили людям знайти спосіб захистити чутливу апаратуру та здоров'я людини від шкідливого впливупотужного Ця властивість отримала широке застосуванняна практиці, і важко уявити, що було б з людством, якби не винахідливість та сміливість відважного фізика.

Як діє клітина Фарадея?

Коли замкнута електропровідна оболонка потрапляє в електричне поле, воно починає впливати на вільні електрони, внаслідок чого протилежні сторони такої конструкції набувають заряди, що створюють у свою чергу поле, що повністю компенсує зовнішню дію. Слід зазначити, що клітина Фарадея може захистити лише електричного поля. А магнітне поле, за умови, що воно статично, вільно проникає всередину. Тому компас усередині такої конструкції працюватиме правильно. У разі динамічного електрополя відбувається наступна річ: воно створює динамічне магнітне поле, яке, згідно з законами фізики, генерує своє електрополі, що змінюється, що перешкоджає створенню магнітного поля всередині такого екрану.

Сучасні клітини Фарадея

В даний час відкрите англійським фізиком явище використовується для радіочастотних кабін, екранованих кімнат, РЧ-боксів. Такі приміщення широко використовуються скрізь, де потрібно убезпечити людину від електричного поля. Як електропровідний матеріал тепер зазвичай застосовують дрібну металеву сітку або листи перфорованої сталі, а самі конструкції обов'язково заземлюють для того, щоб розсіяти будь-які електричні струми, які можуть з'явитися від зовнішніх випромінювань.
Крім того, клітина Фарадея широко застосовується для проведення різноманітних тестів. комп'ютерного обладнання, електронних компоненті т. д. Існують навіть спеціальні індивідуальні екрануючі комплекти, а деякі компанії пропонують для більшої безпеки екранувати людям свої квартири.

Фарадей. Електромагнітна індукція [Наука високої напруги] Кастільо Сержіо Рарра

КЛІТИНА ФАРАДЕЯ ТА ДІЕЛЕКТРИКИ

КЛІТИНА ФАРАДЕЯ ТА ДІЕЛЕКТРИКИ

Якби ми могли перенестися до Королівського інституту наприкінці 1835 року, ми побачили б Фарадея, зануреного в конструювання незвичайного гігантського пристосування. Воно було настільки величезним, що його довелося перемістити до лекційної зали інституту: розміри лабораторії у підвалі не могли вмістити величезний дерев'яний каркас, покритий алюмінієвими листами. Несвідомий спостерігач, мабуть, вирішив би, що Фарадей конструює якийсь вид зброї, щось на зразок бойового танка. Можливо, це було схожим на клітину для фантастичної істоти, заземлену та приєднану до електростатичного генератора. Але всередині її був сам Фарадей, він сидів там, чекаючи, поки його асистент, сержант Чарльз Андерсон, подасть заряд на клітку, і від неї полетять іскри.

Експеримент дещо нагадував книгу про доктора Франкенштейна, коли його понівечений помічник підключав електричний апарат, щоб повернути тіло до життя. Однак Фарадей не очікував отримати від електрики ніякої цілющої сили. Він сподівався на протилежне - не станеться взагалі нічого - і досяг цього: навіть найточніші вимірювальні апаратине змогли виявити жодних електричних ефектів усередині клітини, ніби вона захищала сидячого всередині від електрики, що скрізь скрізь.

Ця система екранування отримала назву клітини Фарадея і надалі почала використовуватися для захисту чутливих інструментів від радіо- або електромагнітних явищ. Наприклад, звичайний ліфт, якщо він є закритою металевою скринькою, може мати властивості клітини Фарадея, тому часто в ліфті не працює мобільний зв'язок. У мікрохвильових печах також використовується принцип клітини Фарадея для того, щоб хвилі не проникали назовні. Літаки також функціонують за цим принципом: якщо блискавка потрапить у літак, пасажири залишаться неушкодженими.

В експерименті, незважаючи на те, що електростатичний генератор подавав струм високої напруги, ніхто і ніщо в клітині не зазнавало дії електрики. Для перевірки того, що всередині клітини не було електричних зарядів, Фарад використовував електроскоп - інструмент, що дозволяє виявляти і вимірювати заряд окремого тіла. Електроскоп показав, що на внутрішніх стінкахКлітини заряд не виявляється.

Клітина Фарадея за відсутності електричного поля (ліворуч); заряджені частинки на стінці клітини Фарадея відповідають додаток електричного поля (у центрі); електричні поля усередині стінки усувають прикладене електричне поле, нейтралізуючи внутрішній простір клітини (праворуч).

Принцип роботи клітини Фарадея є відносно простим (див. схему). Сама клітина – з металу і працює як порожній провідник. Коли неї діє зовнішнє електромагнітне поле, позитивні заряди залишаються лежить на поверхні, а негативні - електрони - вільно переміщаються металом у протилежному напрямі стосовно електричному полю. З одного боку клітини збираються електрони, з іншого боку утворюється їх недолік. При поляризації провідника генерується внутрішнє електричне поле такої ж величини, але протилежне напрямку зовнішньому полю, тому сума полів всередині провідника дорівнює нулю. Сили нейтралізують самі себе. Завдяки явищу електростатичного екрануванняжоден заряд неспроможна пройти крізь клітину, позаяк усередині її полі відсутня.