Вы, наверное, слышали термин «клетка Фарадея» на уроках физики и знаете, что если в машину ударит молния, с пассажирами ничего не случится - если, конечно, они не вздрогнут и не съедут с дороги. Автомобиль, пораженный молнией, — один из самых известных примеров этого явления на практике.
Клетка Фарадея — устройство, работа которого основана на том, что электрический заряд сосредоточен только на поверхности проводника, а не в его объеме. Следовательно, внутри полого трехмерного объекта из проводящего материала отсутствует электромагнитное поле.
Однако, когда речь идет о клетке, а не о закрытой «коробке», все зависит от размера отверстий.
Клетка также может (частично) блокировать электромагнитное излучение, если толщина проводника достаточна, а размеры отверстий значительно меньше длины волны излучения.
Из этой статьи вы узнаете в чем заключается явление электростатического экранирования, как работает клетка Фарадея и где она используется.
Демонстрация работы клетки Фарадея на научно-популярном шоу в музее
Клетка Фарадея (Faraday cage) - это закрытый металлический контейнер, который служит для блокирования электромагнитных полей. Когда электромагнитные волны попадают внутрь такого контейнера, они отражаются и распространяются по его поверхности, не проникая внутрь.
Изобретенная в 1836 году Майклом Фарадеем, клетка Фарадея имеет множество применений, включая защиту от радиочастотной интерференции и электромагнитных помех, а также защиту электронной и электрической техники от электромагнитных полей.
Принцип работы клетки Фарадея основан на том, что металлический контейнер действует как заземленный экран, который принимает на себя электрические поля и направляет их в землю.
История открытия
Наиболее ранний из известных экспериментов, так или иначе связанный с будущей клеткой Фарадея, был проведен в 1755 году Бенджамином Франклином. Ученый наблюдал следующий эффект.
Погружая подвешенный на шелковой нити пробковый шарик (незаряженный) в заряженную металлическую банку, Франклин не обнаружил притяжения шарика ко внутренней ее стенке, тогда как снаружи банки такое притяжение можно было наблюдать.
И даже если шарик касался дна, то когда его вынимали, на нем не было обнаружено заряда, хотя после прикосновения к банке снаружи заряд на шарике обнаруживался. Франклин посчитал этот факт исключительным.
Позже, проводя эксперименты с электрически заряженными телами, Майкл Фарадей обнаружил следующую важную закономерность.
У полого заряженного проводника заряд всегда удается обнаружить только на внешней его стороне, но никогда не на внутренней. И заряд этот никак не влияет на предметы, помещаемые внутрь полого проводника. Данное открытие было сделано ученым в 1836 году.
Для более выразительной демонстрации своего открытия Фарадей соорудил специальное помещение, которое сплошь обернул фольгой и стал пропускать через него электрические разряды высокого напряжения. Установленный внутри помещения электроскоп, будучи подключен к фольге изнутри, не показывал никакого заряда.
Позже, а именно — 4 февраля 1843 года, Фарадей опишет эксперимент с оловянным ведром для льда, к которому снаружи он присоединит электроскоп.
По мере того, как латунный заряженный шар входит в ведро, лепестки электроскопа расходятся и расхождение это продолжается до тех пор, пока шар не окажется целиком ниже края ведра.
После этого показания электроскопа остаются устойчивыми и неизменными даже по мере дальнейшего погружения шара и в ходе его приближения ко дну.
Это показывает, что на любом расстоянии от дна на всю внутреннюю часть ведра оказывается полное индуктивное действие шара. Если же коснуться шаром дна, то весь его заряд будет передан ведру. И после того, как шар из ведра вытащат, он окажется полностью разряженным.
Фарадей не был первым, кто открыл это явление. Бенджамин Франклин или французский физик Жан-Антуан Нолле ссылались на его последствия в своих исследованиях почти за сто лет до английского физика. Однако подробное описание и демонстрация этого явления были даны только Фарадеем, и поэтому он занял первое место в открытии.
Экранирование электрического поля. Как это работает
Описанные эксперименты привели в итоге к созданию так называемой «клетки Фарадея», которая используется в технике по сей день в целях электростатического и электромагнитного экранирования на самых разных технологических уровнях.
Чтобы понять, в чем принципиально заключается явление электростатического экранирования, для начала проведем мысленный эксперимент. Представьте себе металлический куб со стороной в 1 метр и с гранями толщиной в 1мм.
Допустим, куб спаян из листовой меди. Медь, как мы знаем, — проводник, а значит всюду внутри стенок куба есть огромное количество свободных электронов, которые, как известно, хаотически движутся в тепловом движении от атома к атому.
Теперь допустим, что нам неким волшебным способом удалось сместить часть свободных электронов с правой грани куба - на левую, противоположную его грань, и так оставить.
Что произойдет в результате? На левой грани куба будет больше электронов, чем на правой. Значит на правой грани куба создастся избыточный положительный заряд, а на левой — избыточный отрицательный.
Внутри куба, между его левой и правой гранями, возникнет электрическое поле, вектор напряженности которого будет направлен справа налево.
Теперь вернем медный куб в исходное состояние: заряды всюду в стенках куба вновь скомпенсированы, электрического поля между стенками внутри куба не наблюдается.
Включим за пределами куба источник электрического поля, вектор напряженности которого будет направлен слева направо, да так, чтобы куб полностью попал в область действия данного поля.
В кубе, под действием внешнего поля, произойдет разделение зарядов, как то, что было в нашем мысленном эксперименте. Только вот причина разделения на этот раз — не какая-то волшебная немыслимая, а вполне реальная — электрическое поле внешнего источника.
Когда внешний источник включали, его электрическое поле подействовало на электроны внутри стенок куба и привело к разделению зарядов. В итоге поле разделенных зарядов внутри куба скомпенсировало собою пронизывающее куб поле внешнего источника, в сумме поле внутри куба стало равным нулю. То, что находится внутри куба, оказывается экранировано, защищено от внешнего электрического поля.
Сплошной и сетчатый экраны. Заземление
Для защиты только от электрического поля экран не обязательно должен быть сплошным, достаточно и клетки. Однако для переменного электромагнитного поля размер ячейки клетки имеет значение. Если размер ячейки соизмерим с длиной волны внешнего излучения, то волна может легко проникнуть и внутрь клетки.
Если же размер ячейки сильно меньше длины волны, то волна внутрь не проникнет. На дверце микроволновой печи, например, сетка не позволяет волнам, порождаемым работой магнетрона, выйти наружу.
Заземляют клетки Фарадея для того, чтобы избыточный заряд на клетке в целом, если он вдруг возникнет, также мог бы быть сразу нейтрализован. В этом случае клетка будет охвачена эквипотенциальной поверхность нулевого потенциала (потенциала земли).
Применение клетки Фарадея
Сам Фарадей, возможно, удивился бы, узнав, что его открытие сегодня играет очень важную роль и в вопросах безопасности, в частности, в защите от утечки информации.
Пример использования клетки Фарадея в высоковольтной лаборатории
Клетки Фарадея в явном и в неявном виде применяются везде, где необходимо обеспечить электростатическую защиту и защиту от электромагнитных полей.
Они защищают компьютеры и измерительную аппаратуру, элементы электронных схем, звукосниматели электрогитар (экранирующими корпусами), цифровые носители данных (экранирующими пакетами), лаборатории, кабинеты МРТ (экранирующими стенами и потолком), салоны воздушного и наземного транспорта, лифты — сами представляют собой клетки Фарадея.
Автомобиль представляет собой клетку Фарадея, которая способна защитить пассажиров от мощного разряда молнии. Именно по этой причине всегда желательно оставаться в машине во время грозы.
Несмотря на то, что закрытый автомобиль работает как клетка Фарадея, из-за больших окон прием высокочастотных сигналов, например, мобильных телефонов в автомобиле по-прежнему возможен.
Костюмы электромонтеров, обслуживающих и ремонтирующих воздушные линии электропередачи (ВЛЭП), участников шоу с катушками Тесла, — являют собой клетки Фарадея специальной формы, предназначенные специально для защиты человеческого тела.
Электромонтеры обслуживают высоковольтные линии электропередачи под напряжением в специальных защитных костюмах
Всевозможные кабели передачи данных посредством высокочастотных электрических сигналов обязательно имеют экранирующую оболочку, которая работает по принципу клетки Фарадея.
На основе клетки Фарадея выпускаются специальные экранированные непроницаемые чехлы для мобильных телефонов. Это отключает мобильный телефон от всех используемых мобильных сетей, сетей передачи данных и навигации.
Телефон в чехле теряет сигнал, не подключается к системам спутникового позиционирования и не передает беспроводные данные. Подобные уловки часто используются в случае опасений подслушивания.
Также возможно построить полноценный экранированный офис по принципу клетки Фарадея, который можно использовать, например, как переговорную.
Подобные экранированные камеры используются не только в рамках защиты от прослушки, но и в других сферах. Мы можем встретить их, например, при защите центров обработки данных от сильных электрических разрядов или на научных и исследовательских рабочих местах, где необходимо исключить нежелательные электромагнитные поля при проведении чувствительных измерений.
Электромагнитно-инертная среда необходима также в медицинской промышленности и диагностике.
Открытый экранирующий блок в виде клетки Фарадея, предназначенный для установки МРТ
Фарадей также открыл электромагнитную индукцию и электролиз
Майкл Фарадей любил эксперименты, и благодаря этому внес в мир ряд других открытий.
Тщательное описание электромагнетизма было необходимо и уже в 1821 году он обнаружил, что электрический ток, проходящий через проводник, может индуцировать электромагнитное поле, а десятью годами позже доказал, что работает и обратное — действие магнита создает электрический ток — и таким образом описал принцип электромагнитной индукции.
Майкл Фарадей также сделал много открытий в области химии и на границе между физикой и химией - прежде всего это открытие электролиза. Он расширил техническую номенклатуру, включив в нее термины анод, катод, электрод и ион (смотрите - Законы электролиза Фарадея).
Андрей Повный