Клетка фарадея принцип работы. Клетка Фарадея: принцип работы, применение и история изобретения — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое клетка Фарадея и как она работает. Где применяется клетка Фарадея в современном мире. Кто изобрел клетку Фарадея и почему она так называется. Как сделать простую клетку Фарадея своими руками.

Содержание

Что такое клетка Фарадея и принцип ее работы

Клетка Фарадея — это устройство для экранирования от внешних электромагнитных полей, изобретенное английским физиком Майклом Фарадеем в 1836 году. Она представляет собой замкнутую оболочку, выполненную из проводящего материала (металла).

Принцип работы клетки Фарадея основан на перераспределении электрических зарядов в проводнике под воздействием внешнего электромагнитного поля:

Внешнее электрическое поле вызывает движение свободных электронов в металле клетки
Электроны концентрируются на внешней поверхности, создавая собственное поле
Это поле компенсирует внешнее, и внутри клетки поле отсутствует

Таким образом, клетка Фарадея защищает находящиеся внутри нее объекты от воздействия внешних электрических полей.

История изобретения клетки Фарадея

Клетка Фарадея была изобретена в 1836 году английским физиком и химиком Майклом Фарадеем. Однако подобный эффект экранирования наблюдали и ранее:

В 1755 году Бенджамин Франклин проводил опыты с металлической банкой и заряженным пробковым шариком
В 1820-х годах подобные эксперименты проводил итальянский физик Джованни Беккариа

Фарадей систематически исследовал это явление и создал первую клетку в виде комнаты, обитой металлической фольгой. Он продемонстрировал отсутствие электрического поля внутри при подаче высокого напряжения снаружи.

Где применяется клетка Фарадея в современном мире

Сегодня принцип клетки Фарадея широко используется в различных областях:

Защита электронного оборудования от помех
Экранирование кабелей и проводов
Обеспечение электромагнитной совместимости устройств
Создание безэховых камер для испытаний

Защита людей при работе с высоким напряжением

Рассмотрим некоторые примеры применения клетки Фарадея более подробно.

Микроволновые печи

Корпус микроволновой печи является клеткой Фарадея. Он не выпускает наружу микроволновое излучение и защищает пользователей. При этом дверца печи имеет металлическую сетку с мелкими ячейками, не пропускающими излучение, но позволяющими видеть процесс приготовления.

Защитные костюмы для электриков

Специальные костюмы для работы с высоковольтными линиями электропередач действуют по принципу индивидуальной клетки Фарадея. Они изготавливаются из проводящих материалов и защищают человека от поражения электрическим током.

Как сделать простую клетку Фарадея своими руками

Для создания простой клетки Фарадея в домашних условиях можно использовать следующие материалы:

Металлическая сетка или фольга

Картонная коробка
Изолирующий материал (бумага, ткань)

Алгоритм изготовления:

Оберните картонную коробку изолирующим материалом
Полностью покройте коробку металлической сеткой или фольгой
Сделайте крышку, также покрытую металлом
Обеспечьте надежный электрический контакт между всеми металлическими частями

Такая самодельная клетка Фарадея сможет ослабить электромагнитные сигналы и защитить находящиеся внутри устройства.

Эффективность экранирования клетки Фарадея

Степень защиты, обеспечиваемая клеткой Фарадея, зависит от нескольких факторов:

Проводимость материала клетки
Толщина стенок
Наличие отверстий и их размер
Частота экранируемого излучения

Чем выше проводимость и толщина материала, тем лучше экранирование. При этом размер отверстий в клетке должен быть значительно меньше длины волны излучения, от которого производится защита.

Ограничения клетки Фарадея

Несмотря на высокую эффективность, клетка Фарадея имеет ряд ограничений:

Не защищает от постоянных магнитных полей
При наличии отверстий возможно частичное проникновение излучения
Эффективность снижается на низких частотах
Не блокирует гравитационные и сейсмические волны

Поэтому при проектировании систем защиты необходимо учитывать конкретные условия применения клетки Фарадея.

Интересные факты о клетке Фарадея

Несколько любопытных фактов об этом изобретении:

Салон автомобиля действует как клетка Фарадея, защищая пассажиров от молний
Космические корабли имеют защиту по принципу клетки Фарадея
Некоторые животные используют природные клетки Фарадея для защиты от молний
Клетку Фарадея применяют для блокировки сигналов мобильной связи в тюрьмах

Этот простой, но эффективный принцип экранирования находит все новые области применения в современном высокотехнологичном мире.

Клетка Фарадея. Работа и применение. История и особенности

Клетка Фарадея или «щит Фарадея» — это замкнутое пространство для предотвращения прохождения электромагнитных полей. Клетка изготавливается из токопроводящего сплошного материала или токопроводящей сетки, обычно ее еще и заземляют. Названа она так по имени английского ученого Майкла Фарадея, изобретшего ее в 1836 году.

История открытия

В 1836 году Фарадей заметил, что избыточный заряд на заряженном проводнике локализуется лишь на его внешней стороне и не оказывает никакого влияния на предметы внутри. Для демонстрации этого факта он оборудовал комнату, покрытую металлической пленкой, и подавал на внешнюю сторону комнаты высоковольтный заряд от электростатического генератора.

Для демонстрации эффекта выталкивания поля в клетку помещались небольшие животные. При подведении к ней мощного электрического заряда от электростатического генератора, заряд не причинял животным никакого вреда, поскольку стекал по ее поверхности.

Хотя проявление этого эффекта было приписано знаменитому эксперименту с цилиндром Фарадея (или «ведерком со льдом»), проведенном Майклом Фарадеем в 1843 году, наблюдал феномен еще в 1755 году американский ученый Бенджамин Франклин. Опыт заключался в том, что Франклин опускал подвешенный на шелковой нити незаряженный пробковый шарик через отверстие в заряженную металлическую банку. По его словам, «пробка не притягивалась к внутренним стенкам банки, как она притягивалась к наружным. Хотя пробка была опущена до дна банки, по вытаскиванию из нее она оказалась незаряженной вследствие касания, что наблюдалось, когда пробка касалась наружной стороны банки». Этот эффект также был открыт задолго до Фарадея итальянским физиком Джованни Батиста Беккариа.

Принцип действия

Принцип действия клетки заключается в том, что внешнее электрическое поле приводит к перераспределению свободных электронов в токопроводящем материале клетки таким образом, что противоположные стороны клетки заряжаются. Их поле компенсирует внешнее поле, и внутри поле отсутствует. Этот принцип лучше всего понимается, если клетку представить идеальным полым проводником. Перераспределение зарядов вызывает в проводнике электрический ток, который прекращается, когда внешнее электрическое поле компенсируется.

Экранирующее действие замкнутых металлических оболочек было теоретически предсказано в 1813 году французским математиком и физиком Симеоном Дени Пуассоном. Позднее, в 1828 году, английским математиком и физиком Джорджем Грином. Предсказание ученых основывалось на том, что внутри замкнутой металлической оболочки электрический потенциал постоянен, следовательно, напряженность электрического поля равна нулю, что и является доказательством ее экранирующих свойств.

Клетка Фарадея не в состоянии оградить внутреннее пространство от постоянного либо медленно меняющегося магнитного поля, например, поля земного магнетизма (компас внутри клетки продолжает правильно показывать на Север). Но, поскольку переменное магнитное поле создается переменным электрическим полем, а переменное электрическое поле в клетку не проникает, то не проникает в нее и переменное магнитное поле. Следовательно, клетка защищает находящиеся в ней объекты (и человека) от действия электромагнитных волн. Для экранирования высокочастотного излучения размер ячейки клетки должен быть меньше длины волны излучения.

Эффективность экранирования статического электрического поля зависит от формы токопроводящего материала. В случае изменяющегося электрического поля, и при наличии сопутствующего изменяющегося магнитного поля, чем быстрее эти изменения (т.е. чем выше частота), тем лучше материал сопротивляется проникновению поля. С другой стороны, с повышением частоты поле лучше проникает через сетку с заданным размером ячеек. В этом случае экранирование зависит от электрической проводимости материала клетки, а также его толщины.

Если заряд помещается внутри незаземленной клетки, ее внутренняя поверхность заряжается (аналогично описанному выше процессу с внешним зарядом). Клетка Фарадея блокирует исходящие из нее электромагнитные волны в меньшей степени, чем входящие, и, таким образом, прибор слежения, или «маячок», особенно работающий на высокой частоте, может «пробить» поверхность клетки, работая изнутри.

Лифты и прочие помещения с металлическими проводящими каркасами и стенками могут приводить к пропаже сигнала и появлению «мертвых зон» для пользователей сотовых телефонов, раций, и прочих электронных устройств, принимающих внешние радиосигналы.

Для экранирования излучения работающего внутри микроволновой печи магнетрона с длиной волны порядка 12 см корпус печи выполнен из сплошного металла (нержавеющей стали). Прозрачное окно дверки представляет собой пакет из стеклянных или пластмассовых пластин с обязательным металлическим перфорированным листом между ними. Диаметр отверстий в листе не выше 1-3 мм, что полностью исключает выход излучения из микроволновой печи. Отсутствие просачивания излучения через щель между дверкой и камерой обеспечивается особой конструкцией щели с размерами, подобранными под длину волны излучения.

Ошибкой будет считать, что клетка Фарадея обеспечивает полное блокирование радиосигнала или его подавление. Степень ослабления клеткой излучаемого или принимаемого, радио- или телевизионного сигнала зависит от формы электромагнитной волны, ее частоты и расстояния до приемника/передатчика. Также их чувствительности и излучаемой мощности. Клетка с ограждением из прочного стального листа обеспечивает лучшее подавление, чем выполненная из сетки.

Применение

Ниже приведен ряд примеров использования клетки и схожих устройств для защиты людей и оборудования.

Клетка 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.
Клетка Фарадея в виде сумки или чехла используется для предотвращения стирания и изменения с преступными намерениями цифровых данных на электронных носителях.
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.

Клетка Фарадея — Закон электромагнитной индукции

Клетка Фарадея («щит Фарадея) – устройство, которое изобрел английский химик и физик Майкл Фарадей в 1836 году, оно было предназначено для экранирования аппаратуры от воздействия внешних электромагнитных полей. Клетка Фарадея обычно представляет, из себя, заземленную клетку, которая изготовлена из хорошо проводящего материала.

Принцип работы щита Фарадея очень прост:
При попадании замкнутой электропроводящей оболочки в электрополе, свободные электроны на оболочке начнут движение, это произойдет под действием поля. В итоге противоположные стороны клетки приобретут заряды, поле которых будет компенсировать внешнее поле.
Клетка Фарадея дает защиту только от электрополя. А статическое магнитное поле проникает внутрь ее. Меняющееся электрическое поле создает меняющееся магнитное поле, которое, в свою очередь создает меняющееся электрополе. Поэтому, если при помощи летки Фарадея будет блокироваться изменяющееся электрическое поле, то меняющееся магнитное поле также не будет генерировать.

Однако, в области больших частот, действие такого экрана основывается на отражении электромагнитных волн от экранной поверхности и затухании высокочастотной энергии в его толще, действием тепловых трат на вихревые токи.

Способность щита Фарадея экранизировать электромагнитное излучение определяется:
• Толщиной материала, из которого она сделана
• Соотношением размеров проемов в ней с длиной волны на внешнем излучении
• Глубиной эффекта поверхности

Чтобы экранировать кабель необходимо будет сделать клетку Фарадея, которая будет иметь хорошо проводящую поверхность по всей длине экранируемых проводников. Для качественной работы клетки Фарадея, размер ячеек сетки должен быть намного меньше, чем длина волн излучения, защиту от которого требуется выполнить. Принцип действия клетки основывается на перераспределении электронов в проводниках под действием электромагнитного поля.

Материал взят с: http://44kw.com/blogs/school/1637-kletka-faradeya

Клетка фарадея принцип работы — MOREREMONTA

В далеком 1836 году английский физик и изобретатель Майкл Фарадей создал специальное устройство для экранирования аппаратуры от электромагнитных излучений. Это устройство актуально и по сей день, и как и прежде носит имя ученого. Речь о клетке Фарадея.

Данное устройство представляет собой защитную клетку, изготовленную из обладающего высокой электропроводностью металла, и, как правило, заземленную. Принцип действия этого простого устройства также достаточно прост:

Когда внешнее электрическое поле воздействует на клетку, свободные электроны металла клетки приходят в движение, и противоположные стороны конструкции оказываются заряжены так, что их поле компенсирует внешнее электрическое поле.

Это можно проверить на простом эксперименте с двумя электроскопами и клеткой Фарадея, заряженной от высоковольтного источника: электроскоп, присоединенный к внутренней поверхности латунной клетки Фарадея, и помещенный внутрь нее, не покажет наличия электрического заряда, а электроскоп, подключенный снаружи — покажет.

Если же обратить внимание на высокие частоты, то электромагнитные волны высокой частоты (по сравнению с размером ячейки сетки клетки) будут частично отражаться от клетки, а также будут просто напросто затухать в толще металла, индуцируя в нем вихревые токи, и рассеиваясь в конечном итоге в виде тепла.

Тем не менее, эффективность экранирующей функции клетки Фарадея связана со следующими параметрами: с глубиной поверхностного слоя (скин-слоя), с толщиной металла клетки, и с размером проема по отношению к длине волны внешнего излучения, от которого требуется экранирование. Так, для экранирования кабелей применяют клетки Фарадея с проводниками конструкции из хорошо проводящих материалов. Размер ячейки, для эффективной работы клетки Фарадея, обязательно должен быть сильно меньше длины волны экранируемого излучения.

Разновидность клетки Фарадея каждый может встретить в микроволновке. На дверце микроволновки присутствует металлическая сетка, ячейки которой достаточно мелки по сравнению с длиной волны, создаваемой магнетроном. Микроволновка работает на частоте 2450 МГц, и длина волны здесь чуть больше 12 см, очевидно, сетка на дверце микроволновки легко экранирует это излучение, не давая ему выйти наружу.

Роль остальной части клетки в микроволновой печи играет металлическая камера, в которой находится разогреваемая пища. Кстати, если в микроволновую печь (в выключенную!) положить сотовый телефон, то он окажется вне зоны действия сети, поскольку волны сотовой связи стандарта GSM еще длиннее, чем волны порождаемые магнетроном микроволновки.

Существуют металлические костюмы, работающие по принципу индивидуальной клетки Фарадея, изготовленные из волокон нержавеющей стали и меди. Такие костюмы используют монтажники высоковольтных линий электропередач, ибо даже отключенная линия, длиной в много километров, скапливает на себе опасное количество статического заряда. А костюм защищает человека от поражения электрическим разрядом.

Подобные защитные комплекты на основе серебряной ткани защищают электромонтеров и от вредного воздействия электромагнитного поля высоковольтных установок, где электрическая составляющая очень высока. Такие комплекты, как утверждают их производители, предназначены для защиты:

от воздействия электрического поля промышленной частоты;

от воздействия тока смещения, вызванного переменным электромагнитным полем;

от воздействия интенсивного электромагнитного излучения, возникающего при разряде между контактами разъединителей;

от разрядов электрического тока при прикосновении к заземленным или изолированным предметам, частям оборудования, а также траве и мелкому кустарнику;

от электротравм при попадании под наведенное или шаговое напряжение.

Комплекты создают замкнутое экранированное пространство вокруг тела человека, облаченного в костюм, исключая любое проникновение электрического поля внутрь. Все элементы комплектов изготавливаются из электропроводящих материалов и соединяются между собой каналами повышенной проводимости и электропроводящими контактными выводами. Благодаря таким костюмам тело человека шунтируется, и обеспечивается безопасное стекание токов электростатической или емкостной природы.

Как видим, клетка Фарадея применяется сегодня много где. В клетки Фарадея заключают электрические установки высокого напряжения, клетки Фарадея используют в шоу, наконец любое производство, связанное с опасным микроволновым и другим электромагнитным излучением, не обходится без целых цехов и комнат, заключенных в клетки Фарадея.

Надеемся, что данная статья явилась для вас полезной, и теперь вы понимаете, насколько важное значение может иметь простое с виду устройство, напоминающее обычную коробку из сетки. Ведь Клетка Фарадея в различных применениях не только экранирует разнообразное чувствительное к электрическим полям и излучениям оборудование, но и бережет здоровье людей, предотвращая онкологические, и многие другие заболевания, которые могут быть вызваны чрезмерным действием электромагнитных излучений на живой организм.

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

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

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

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

Способность клетки Фарадея экранировать электромагнитное излучение определяется:

толщиной материала, из которого она изготовлена;
глубиной скин-эффекта;
соотношением размеров проёмов в ней с длиной волны внешнего излучения.

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

Великий английский ученый Майкл Фарадей известен всему миру, как первооткрыватель электромагнитной индукции, изобретатель электродвигателя, трансформатора и многих других устройств, не потерявших своей актуальности до настоящего времени. Одно из них, изобретенное еще в середине 19 века, известно, как клетка Фарадея.

Устройство и принцип работы

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: применение и принцип работы

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.

Применение клетки Фарадея

Самостоятельное изготовление устройства

описание и принцип работы решетки

Клетка Фарадея получило свое название в честь своего изобретателя. Он использовал данное устройство для своих экспериментов с электричеством. Она представляла собой металлическую клетку с высокой величиной электропроводности. В настоящее время ее конструкция не изменилась. В каждом конкретном случае ее использования применяются разные металлы с различным сечением.

Используется клетка Фарадея во многих сферах, начиная от медицины, включая МРТ-исследования и заканчивая промышленной окраской автомобилей и различных изделий. В данной статье пойдет речь о том, что такое клетка Фарадея, в чем заключаются ее особенности, принцип действия и какие физические характеристики она имеет. В статье подробно рассказано об устройстве и его сферах применения, добавлена пара полезных видеороликов по теме, а также вниманию читателю предложен интересный материал для скачивания.

Что такое клетка Фарадея.

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.

Материал по теме: Как подобрать термопару правильно.

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.

Как выглядит клетка Фарадея.

Принцип действия

Как работает клетка.

Инженер по специальности «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем», МИФИ, 2005–2010 гг.

Задать вопрос

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.

Из чего состоит клетка Фарадея.

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.

Как отличается параллельное и последовательное соединение резисторов.

Масляные трансформаторы – что это такое, устройство и принцип работы.

Использование клетки Фарадея.

Описание конструкции

Интересно почитать: Как выбрать правильный цифро-аналоговый преобразователь.

Применение клетки Фарадея

Применение клетки Фарадея.

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.

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.

Клетка Фарадея.

Зачем нужна клетка Фарадея

Постоянное же магнитное поле, в отличие от электрического, внутрь клетки проникнет беспрепятственно. Однако, поскольку переменное электрическое поле, порождающее переменное магнитное поле, экранируется клеткой, то переменное магнитное поле внутрь клетки не проникает, так как просто не успевает возникнуть. По этой причине клетка Фарадея защищает внутреннее свое пространство, и объекты, находящиеся в нем, не только от электрического поля, но и от действия внешних электромагнитных волн. Если же обратить внимание на высокие частоты, то электромагнитные волны высокой частоты (по сравнению с размером ячейки сетки клетки) будут частично отражаться от клетки, а также будут просто напросто затухать в толще металла, индуцируя в нем вихревые токи, и рассеиваясь в конечном итоге в виде тепла.

Катушки Тесла.

Такие костюмы используют монтажники высоковольтных линий электропередач, ибо даже отключенная линия, длиной в много километров, скапливает на себе опасное количество статического заряда. А костюм защищает человека от поражения электрическим разрядом. Подобные защитные комплекты на основе серебряной ткани защищают электромонтеров и от вредного воздействия электромагнитного поля высоковольтных установок, где электрическая составляющая очень высока. Такие комплекты, как утверждают их производители, предназначены для защиты:

от воздействия электрического поля промышленной частоты;
от воздействия тока смещения, вызванного переменным электромагнитным полем;
от воздействия интенсивного электромагнитного излучения, возникающего при разряде между контактами разъединителей;
от разрядов электрического тока при прикосновении к заземленным или изолированным предметам, частям оборудования, а также траве и мелкому кустарнику;
от электротравм при попадании под наведенное или шаговое напряжение.

Как работает клетка Фарадея.

Любители катушек Тесла также используют костюмы, напоминающие индивидуальные клетки Фарадея. Ток просто стекает по поверхности костюма на проводящие части с меньшим сопротивлением, не причиняя ущерба человеку, участвующему в шоу. Как видим, клетка Фарадея применяется сегодня много где. В клетки Фарадея заключают электрические установки высокого напряжения, клетки Фарадея используют в шоу, наконец любое производство, связанное с опасным микроволновым и другим электромагнитным излучением, не обходится без целых цехов и комнат, заключенных в клетки Фарадея.

Сферы применения эффекта КФ

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

РЧ-кабина

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

МРТ-помещения

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

Лаборатории

В лабораторных исследованиях для получения точных результатов важно не только использовать передовое оборудование, но и надёжно оградить его от воздействия внешних факторов, таких как магнитные и электрические поля. Следует понимать, что имеется в виду не только направленное излучение от конкретных источников, но и электромагнитные шумы, которые постоянно присутствуют в атмосфере, особенно в населённых пунктах и поблизости от них.

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

Защитные костюмы

Для людей, работающих в сферах с высокой вероятностью поражения электрическим током, разработаны специальные костюмы. Их верхний слой выполнен из металлсодержащей ткани и отделён от тела изолирующим материалом. В случае воздействия остаточной статики или электротока заряд стекает по внешней оболочке комплекта. Защитное облачение незаменимо при работе с высоковольтными линиями. Даже обесточенные, они сохраняют опасный уровень статического заряда за счёт многокилометровой протяжённости электропроводов.

Дополнительный материал: Как проверить блок питания с помощью подручных средств.

В мире развлечений

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

Зрелищное использование эффекта клетки Фарадея

Как выглядит при окрашивании

Дефект клетки Фарадея носит такое название в честь Майкла Фарадея. Это ученый, основатель учения про электромагнитное поле. Он проводил эксперименты со статическим электричеством. На изделиях, которые имеют данный дефект, есть так называемая зона Фарадея. В нее входят углы и впадины, на которых порошковая краска не осаждается. Это происходит из-за того, что внутри этих зон сопротивление электрическим силам намного больше, чем на всей остальной поверхности. Поэтому порошок скапливается на их краях, а вот внутри его намного меньше.

В самой зоне Фарадея могут образовываться вихри. Это также может стать причиной обратной ионизации. Из-за эффекта клетки Фарадея в порошковой покраске одной из самых сложных задач является именно нанесение покрытия на впадины. Более длительное время распыления не поможет решить проблему. Даже когда на краях образуется толстый слой покрытия и порошок уже не может там осаждаться, частицы все равно не направляются в выемки. А происходит обратная ионизация.

Клетка Фарадея при окрашивании

Единственное, что может помочь порошку осадиться во впадинах, — это поле, которое создает пространственный заряд порошка, приносимый воздухом внутрь впадин. Итак, как же покрасить угол порошковой краской? Во-первых, надо проверить заземление изделия, оборудования и маляра. Это, вообще, должно быть ежедневной задачей маляра. Частицы порошка притягиваются именно к заземленной поверхности.

Должен быть хороший заряд порошка. Скорости потока воздуха должно быть достаточно для перенесения порошка внутрь углубления. Но она должна быть не очень большой, иначе станет помехой для осаждения частиц порошка. Надо контролировать электростатическое поле, чтобы оно не “подталкивало” порошок к краям клетки Фарадея. Следует снизить напряжение, попробовать уменьшить или увеличить расстояние от распылителя к изделию.

Благодаря изучению порошковых покрытий, дефектов и анализ возможных их причин, специалисты пришли к выводу, что в некоторых случаях для избежания эффекта Фарадея, надо использовать трибоэлектрическое оборудование. Оно не создает ионный ток и сильный электрический заряд. Благодаря этому порошок легко проникает в выемки и осаждается на углах. Покрытие получается качественным, равномерным, без дефектов.

Клетка Фарадея своими руками

Для хранения различных гаджетов и небольших приборов можно использовать такой предмет, как обыкновенный фанерный ящик. Поступают следующим образом: Фанеру очищают от пыли и загрязнений; Разрезают рулон пищевой фольги на нужные отрезки; Оборачивают всю внешнюю поверхность ящика и его крышку фольгой матовой стороной внутрь; Места соединений изоляции скрепляют скотчем; На дно ящика укладывают один или несколько ковриков для компьютерной мышки; Проверяют плотность прилегания крышки к ящику по всему периметру, не допуская зазоров и разрывов фольгированной поверхности.

Можно ли использовать металлическую емкость для устройства клетки Фарадея?

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.

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.

Простейшая клетка Фарадея.

Как выбрать толщину материала для клетки Фарадея?

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.

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 длина волны 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.

Может ли клетка Фарадея стать накопителем энергии?

Клетка фарадея как накопитель энергии рассматривается чисто теоретически, поскольку электричество не задерживается в конструкции на длительный срок.

Заключение

Задать вопрос

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

В качестве дополнения по данной теме в прилагаемой статье приведены подробная информация о клетки Фарадея Памятка для учителя к примерной рабочей инструкции „Клетка Фарадея“. А также в нашей группе ВК публикуются интересные материалы, с которыми вы можете познакомиться первыми. Для этого приглашаем читателей подписаться и вступить в группу. В завершение хочу выразить благодарность источникам, откуда почерпнут материал для подготовки статьи:

www.electrosam.ru

www.electrik.info

www.odinelectric.ru

www.electric-220.ru

www.elquanta.ru

www.lacover.ua

Мне нравится2Не нравится Предыдущая

ТеорияПравила безопасности при работе с электричеством

ТеорияЧто такое плотность тока?

Клетка Фарадея — это… Что такое Клетка Фарадея?

Принцип работы клетки Фарадея

Кле́тка Фараде́я (или «щит Фарадея», англ. Faraday Shield) — устройство, изобретённое английским физиком и химиком Майклом Фарадеем в 1836 году для экранирования аппаратуры от внешних электромагнитных полей. Обычно представляет собой заземлённую клетку, выполненную из хорошо проводящего материала.

Высоковольтный трансформатор, помещённый в клетку Фарадея

Вход в комнату Фарадея

Способность клетки Фарадея экранировать электромагнитное излучение определяется:

толщиной материала, из которого она изготовлена;
глубиной поверхностного эффекта;
соотношением размеров проёмов в ней с длиной волны внешнего излучения.

Ссылки

Защитит ли пачка чипсов от слежки?

На момент публикации этого текста в кинотеатрах идет фильм «Терминатор: Темные судьбы». Авторы фильма отказались от сквозной нумерации, но поскольку это шестой фильм, игнорирующий сюжеты последних трех, то условно его можно называть «Терминатор 6/3». С точки зрения практической информационной безопасности в нем по большому счету интересен только один момент: попытка Сары Коннор, страдающей оправданной паранойей, избавиться от слежки.

Суть в том, что Сара, у которой проблемы с властями нескольких (точнее, всех 50) штатов, носит телефон в пакете от чипсов. Объясняет она это тем, что фольга в пакетах глушит GPS. Мы решили проверить на практике, помогает ли упаковка для чипсов экранировать сигналы телефона.

Как вообще может работать слежка через мобильный телефон

О результатах нашего эксперимента с пакетиками из-под чипсов мы поговорим несколькими абзацами ниже, а сперва давайте разберемся, как в целом может работать слежка через сотовый телефон. Вообще, если у вас острая паранойя, то чем проще ваш аппарат, тем вам должно быть комфортнее. По-хорошему, Саре Коннор нужно было бы пользоваться старым телефоном вовсе без GPS и Wi-Fi (а в идеале даже без поддержки пакетной передачи данных aka GPRS).

Дело в том, что современный смартфон определяет свое местоположение по нескольким показателям: сигналам спутников GPS, ближайшим вышкам сотовых операторов и точкам доступа Wi-Fi. Чем больше технологий работает, тем точнее координаты.

Сам по себе GPS не так страшен — он позволяет самому телефону определить, где тот находится, но передать что-либо вовне через GPS нельзя по определению. Также запеленговать телефон могут сотовые вышки, но точность этого метода не очень высокая. Конкретные же GPS-координаты может передавать вовне либо операционная система устройства, либо какие-нибудь приложения, но для этого им нужен доступ к Интернету. Одним словом, для того чтобы уйти от слежки, глушить надо не столько GPS, сколько сотовую связь и Wi-Fi.

Возвращаясь к пакетикам из-под чипсов — нельзя сказать, что это революционное изобретение Сары Коннор. В основе этого трюка лежит принцип клетки Фарадея, изобретенный 183 года назад. По идее, она должна экранировать все сигналы — и Wi-Fi, и GPS, и GSM.

Кстати, даже само по себе использование пакетика от чипсов в качестве клетки Фарадея — не новость: более 20 лет назад этот трюк уже проворачивал персонаж Джина Хэкмана в фильме «Враг государства». Но технологии меняются, алюминий дорожает, так что совсем не факт, что современные пакетики эффективно экранируют радиосигнал. Поэтому мы решили проверить методику Сары Коннор на практике.

Эксперимент: защищает ли от слежки пакетик из-под чипсов

В качестве тестового инструмента мы использовали приложение Kaspersky Safe Kids. Оно позволяет показывать точное местонахождение ребенка, а заодно пишет, работают ли в телефоне передача данных через сотовую сеть, GPS и Wi-Fi.

Так что мы установили на аппарат программу в детском режиме, выдали ему доступ в сеть через LTE и пошли гулять вокруг офиса. Предварительно мы купили (и съели) несколько пачек чипсов, а также печенье в нескольких металлических коробках — и с помощью всех этих предметов попробовали экранировать сигнал.

Сразу скажем, с коробками лучше не связываться. Их эффективность сложно предсказать: одна коробка может надежно глушить любой сигнал, а другая лишь позволяет «потерять» GPS-спутники, да и то только в здании.

А вот с пакетами чипсов оказалось сложнее. Сначала мы запихнули аппарат в один пакет и убедились, что это не помогает. Причем абсолютно: координаты определяются с точностью до пары метров.

Сперва мы расстроились и распереживались за безопасность Сары. Но затем догадались положить телефон в пакете из-под чипсов в еще один пакет из-под чипсов. Оказалось, что многослойность спасает — при двойном экранировании телефон перестает получать и передавать сигналы!

Для чистоты эксперимента мы проверили несколько пакетов разных производителей чипсов. Результат один — двойной пакет спасает, одинарный — нет. Возможно, у Сары были чипсы, производитель которых не экономит на фольгировании пакета, поэтому ей действительно хватало одного слоя. Но если вы параноик-реалист, то для верности придется использовать не менее двух пакетов. А лучше подстраховаться и взять три.

Другое дело, что пользоваться экранированным телефоном по назначению не получится, и даже если ненадолго вынуть аппарат из пакета «только позвонить», то он, скорее всего, успеет передать свои GPS-координаты в сеть, и уж как минимум его примерное местоположение зарегистрируют сотовые вышки. Так что (осторожно, спойлер!), как говорил знатный техасский пошивальщик штор Карл: «Хранишь телефон в пачке чипсов, так и не доставай его!»

Терминатор 6/3: помимо чипсов

В остальном в новом «Терминаторе» нет ничего интересного с точки зрения безопасности. Да, киборги вламываются в полицейскую базу данных, компьютерную систему пограничной службы и сеть GSM-оператора. Но с практической точки зрения эти взломы неинтересны — они происходят не из-за каких-либо подробно задокументированных недочетов в проектировке систем, а просто потому, что киборги используют некие технологии будущего и неведомые методы подключения к современной технике. Техномагия, одним словом.

Что мы думаем о предыдущих двух фильмах серии (в новой версии таймлайна) можно узнать из нашего блогпоста «„Терминатор“ с точки зрения кибербезопасности».

Что такое клетка Фарадея?

Даже электроника, разработанная некоторыми из лучших мировых брендов, может быть восприимчива к электромагнитным помехам. Такие нарушения значительно влияют на их функциональность и эффективность. Клетка Фарадея используется в качестве защитного экрана от электромагнитного излучения, исходящего из внешней среды, или предотвращает выход электромагнитной энергии, излучаемой внутренними компонентами, из клетки. Эти защитные экраны используются в различном электронном и электрическом оборудовании.

Как это работает?

Клетка Фарадея создает барьер между внутренними компонентами устройства и внешними электрическими полями. Это работает, потому что внешнее электрическое поле вызывает перераспределение электрических зарядов в проводящем материале корпуса, что, в свою очередь, нейтрализует эффект поля внутри клетки. Это гарантирует, что электрические компоненты внутри корпуса могут работать без перебоев.

Различные приложения

Микроволновая печь: Вы можете найти реальный образец клетки Фарадея прямо у себя на кухне.Металлический корпус в вашей микроволновой печи действует как клетка Фарадея и предотвращает проникновение микроволн внутри духовки в окружающую среду.

Экранирование электронного оборудования: Важно защитить различное электронное оборудование от электромагнитного излучения, исходящего от других электронных блоков, присутствующих в окружающей среде. Коаксиальные кабели, используемые для телевидения, обычно состоят из экрана с медной оплеткой под оболочкой из ПВХ, которая действует как клетка Фарадея для защиты внутренних проводников от внешних электрических помех и предотвращения утечки радиочастот.

Защитное снаряжение для электриков и линейных монтеров: Защитные костюмы, которые носят мужчины, работающие в опасных условиях, представляют собой не что иное, как клетку Фарадея. Эти костюмы предназначены для защиты рабочих от поражения электрическим током при работе в непосредственной близости от высоковольтных линий электропередачи.

МРТ (магнитно-резонансная томография): клетки Фарадея также используются в кабинетах МРТ для предотвращения искажения внешними радиочастотными сигналами данных, поступающих от пациента.

Молния Безопасность: Защитный металлический отсек автомобиля или самолета действует как клетка Фарадея, защищая пассажиров от внешних электрических зарядов, таких как молния.

Знаете ли вы, что каждое устройство в вашем доме — от ноутбука до холодильника — нуждается в защите от невидимых электромагнитных волн для оптимального функционирования? Клетка Фарадея может обеспечить им необходимую защиту. У вас есть еще вопросы о клетке Фарадея или вы ищете решения для защиты от электромагнитных помех? Свяжитесь с нами сегодня.

Как работают клетки Фарадея | HowStuffWorks

Электричество — это источник жизненной силы для многих аспектов нашего мира. Без вольт и усилителей многие из наших технологических инноваций перестали бы существовать. Даже наши тела не могли бы функционировать без электрического заряда, пронизывающего наши клетки. Но то, что дает электричество, электричество можно забрать.

Хотя эта форма энергии жизненно важна для многих в нашей жизни, это одна из тех вещей, которые хороши только в нужных количествах.Слишком большое количество электричества может привести к поражению людей электрическим током. Точно так же он может убить нашу современную электронику и машины.

Но благодаря Майклу Фарадею, блестящему ученому 19-го века, и одному из его одноименных изобретений, клетке Фарадея, мы, люди, разработали множество способов контролировать электричество и сделать его более безопасным для наших компьютеров, автомобилей и других изобретений — и для нас тоже.

Клетки Фарадея защищают свое содержимое от статических электрических полей. Электрическое поле — это силовое поле, окружающее заряженную частицу , такую как электрон или протон.

Эти клетки часто выглядят отчетливо, ну, похоже, на клетку. Некоторые из них так же просты, как заборы из сетки или ведра для льда. Другие используют мелкую металлическую сетку. Независимо от их точного внешнего вида, все клетки Фарадея принимают электростатические заряды или даже определенные типы электромагнитного излучения и распределяют их по внешней стороне клетки.

Электромагнитное излучение окружает нас повсюду. Он находится в видимом и ультрафиолетовом свете, в микроволновых печах, которые готовят нашу еду, и даже в радиоволнах FM и AM, которые перекачивают музыку через наши радиоприемники.Но иногда это излучение нежелательно и совершенно разрушительно. Вот где пригодятся клетки Фарадея.

Поскольку клетка Фарадея распределяет этот заряд или излучение по внешней стороне клетки, она нейтрализует электрические заряды или излучение внутри клетки. Короче говоря, клетка Фарадея — это полый проводник, в котором заряд остается на внешней поверхности клетки.

Эта основная функция имеет множество увлекательных применений в нашем электрически загроможденном и насыщенном технологиями мире.И хотя у Фарадея в конечном итоге будет свое время, основа для его изобретения на самом деле уходит корнями в более ранние времена. Итак, откуда взялась идея этих сверхполезных клеток? Узнайте на следующей странице.

Как работает клетка Фарадея

Есть высокие шансы, что вы в какой-то момент своей жизни провели в клетке Фарадея значительную часть времени. Возможно, у вас даже на кухне. Удивлен?

Впервые изобретенные в 1836 году почтенным английским ученым Майклом Фарадеем, они стали повсеместными в нашем современном технологическом мире.От обеспечения безопасности в воздухе до сохранения государственной тайны — это простые, но очень мощные инструменты.

В следующей статье мы кратко рассмотрим, что это такое, и посмотрим, как они на самом деле работают.

Что такое клетка Фарадея?

Клетка Фарадея, иногда известная как щит Фарадея, представляет собой ограждение, которое используется для защиты предметов от электромагнитных полей (как статических, так и нестатических).

Статическое электричество — это то, где заряды находятся в состоянии покоя, отсюда и название.По сути, они накапливаются на поверхности определенного изолятора.

Нестатическое или текущее электричество — это движение электронов внутри проводника. Клетки Фарадея способны защитить свое содержимое или даже обитателей от воздействия обоих.

Они могут быть сделаны из сплошного покрытия из проводящего материала или из тонкой сетки из проводящего материала.

Клетки Фарадея названы в честь их изобретателя, английского ученого Майкла Фарадея. Он изобрел их в 1836 году.

Они варьируются по дизайну и размеру от простых решетчатых ограждений до изящных металлических сеток.

Независимо от своего точного внешнего вида, все клетки Фарадея принимают электростатические заряды или даже определенные типы электромагнитного излучения и распределяют их по внешней стороне клетки.

Когда была изобретена клетка Фарадея?

В 1800-х годах Майкл Фарадей вложил свой значительный интеллект в исследование электричества.Вскоре он понял, что электрический проводник (например, металлическая клетка), будучи заряженным, кажется, проявляет этот заряд только на своей поверхности.

Оказалось, что это вообще не повлияло на внутреннюю часть проводника.

Он намеревался продемонстрировать это в большем масштабе и в 1836 году разработал амбициозный эксперимент.

Во время ставшего легендарным эксперимента Майкл Фарадей облил комнату металлической фольгой. Затем он позволил высоковольтным разрядам электростатического генератора попасть за пределы комнаты.

Великий Майкл Фарадей. Источник: Королевский институт Лондона

Затем он использовал специальное устройство, называемое электроскопом (устройство, которое обнаруживает электрические заряды), чтобы окончательно доказать свою гипотезу. Он подозревал, что комната полностью лишена электрического заряда.

Он также подтвердил, что только внешняя поверхность металлической фольги вообще проводит ток.

Позднее Фарадей подтвердил свои наблюдения еще одним известным экспериментом — своим экспериментом с ведром со льдом.Во время этого эксперимента он скопировал более ранний эксперимент Бенджамина Франклина.

Майкл опустил заряженный латунный шар в металлическую чашу. Как и ожидалось, эксперимент подтвердил предыдущие наблюдения Франклина и его собственные.

Бенджамин Франклин тоже заслуживает некоторой похвалы.

Хотя сегодня этот вид аппарата носит имя Майкла Фарадея, Бенджамина Франклина следует признать за его вклад почти 90 лет назад.

В 1755 г. Франклин наблюдал похожее явление.Он опустил незаряженный пробковый шар на шелковой нити через отверстие в электрически заряженной металлической банке.

Источник: Историческая ассоциация Белого дома / Wikimedia Commons

Он заметил, что «пробка не притягивалась к внутренней части банки, как это было бы снаружи, и хотя она касалась дна, но когда она была вытянутой. не было обнаружено, что он наэлектризован (заряжен) от этого прикосновения, как это было бы при прикосновении к внешней стороне. Факт необычный «.

Он также смог показать, что пробка подверглась воздействию электростатического заряда банки, повесив ее рядом с внешней стороной банки.Пробковый шар сразу же притянулся к поверхности банки.

Это, как и следовало ожидать, в то время озадачило Франклина. Он даже признался в своем замешательстве коллеге в письме.

«Вам нужна причина; я ее не знаю. Возможно, вы откроете ее, и тогда вы будете так любезны, что сообщите ее мне».

Хотя он обнаружил эффект за много лет до Фарадея, Франклин так и не смог полностью обосновать свои любопытные наблюдения. Спустя десятилетия это останется на усмотрение великого Майкла Фарадея.

Как работают клетки Фарадея?

Проще говоря, клетки Фарадея распространяют электростатический заряд по своей внешней стороне. Следовательно, они действуют как щит для всего, что находится внутри них.

В этом отношении они представляют собой форму полого проводника, в котором электромагнитный заряд остается только на внешней поверхности клетки.

Но на самом деле, как и многие вещи, все немного сложнее.

Если вы не знакомы с концепцией электричества и проводников, вы, возможно, захотите освежить это в первую очередь, прежде чем двигаться дальше.Это видео предлагает немного освежить эту тему.

По сути, проводники имеют резервуар со свободно движущимися электронами, которые позволяют им проводить электричество. Когда нет электрического заряда, в проводнике более или менее одинаковое количество смешанных положительных и отрицательных частиц.

Если внешний электрически заряженный объект приближается к клетке, положительные (ядра) и свободные отрицательные (электронные) частицы в проводнике внезапно разделяются.

Если приближающийся объект заряжен положительно, к нему устремляется рой свободно движущихся электронов.

Остальной материал клетки остается относительно свободным от отрицательно заряженных электронов, придающих ему положительный заряд. Если приближающийся объект заряжен отрицательно, происходит обратное, и электроны отталкиваются, но общий эффект тот же, только наоборот.

Этот процесс называется электростатической индукцией, и он создает электрическое поле, противоположное полю внешнего объекта.

Этот процесс эффективно нейтрализует внешнее электрическое поле по всей клетке. Именно это явление изолирует внутреннюю часть клетки от внешнего электрического поля.

Для чего используются клетки Фарадея?

Как вы понимаете, эти клетки очень удобны в самых разных применениях. Скорее всего, вы действительно были в одном из них совсем недавно.

Самые известные примеры — автомобили и самолеты. Фюзеляжи самолета и автомобиля действуют как клетки Фарадея для своих пассажиров.

Хотя для автомобилей это не такая уж проблема, удары молнии в воздухе — довольно частое явление. Благодаря алюминиевому внешнему виду самолетов, когда это происходит, и хрупкая авионика самолетов, и бесценные пассажиры остаются полностью невредимыми.

Невероятно подходящие комнаты для сканирования МРТ эффективно имитируют знаменитый эксперимент Фарадея 1836 года. Они должны быть построены таким образом, чтобы предотвратить добавление внешних радиочастотных сигналов к данным с аппарата МРТ.

Если им разрешат проникнуть в комнату, это может серьезно повлиять на получаемые изображения. Несмотря на это, операторов обычно обучают обнаруживать радиочастотные помехи в маловероятном случае повреждения клетки Фарадея.

Микроволновые печи — еще один яркий пример повседневного использования клеток Фарадея. Однако, в отличие от других приложений, они предназначены для работы в обратном направлении и удерживают микроволновое излучение внутри печи.

Вы действительно можете увидеть часть клетки на прозрачном окошке микроволновой печи.

Оказывается, многие здания также являются случайными клетками Фарадея. Широкое использование металлической арматуры или проволочной сетки может нанести ущерб беспроводным интернет-сетям и сигналам мобильных телефонов.

Еще одно интересное применение клеток Фарадея используется военными и другими организациями. Клетки Фарадея часто используются для защиты жизненно важного ИТ и другого электрического оборудования от атак ЭМИ и ударов молнии.

Они также широко используются в ситуациях, когда необходимо заблокировать подслушивающие устройства.Политики и другие встречи на высоком уровне часто предпочитают обсуждать деликатные вопросы в специальных помещениях, защищенных конструкцией клетки Фарадея.

Щит Фарадея на электростанции в Хаймбахе, Германия. Источник: Фрэнк Винсент / Wikimedia Commons

Клетки Фарадея на 100% эффективны?

Эффективность клетки Фарадея определяется конструкцией клетки, размером и выбором строительных материалов. В конструкции сетчатого типа они будут экранировать свою внутреннюю часть, если проводник достаточно толстый, а отверстия в сетке меньше длины волны рассматриваемого излучения.

Какими бы удивительными ни были клетки и щиты Фарадея, они далеки от совершенства. Они в целом не обеспечивают 100% изоляцию от электромагнитных волн.

В то время как более длинные волны, такие как радиоволны, имеют тенденцию сильно ослабляться или блокироваться клеткой, высокочастотные передачи ближнего поля, такие как HF RFID, обычно могут проникать через экран.

При этом конструкции сплошного каркаса, в отличие от сетчатых форм, действительно имеют тенденцию обеспечивать лучшее экранирование в более широком диапазоне частот.

Микроволновые печи являются ярким примером того факта, что клетки Фарадея не на 100% эффективны в качестве электромагнитных экранов. Большинство из них не блокируют утечку всего микроволнового излучения из устройства.

Микроволны — это клетки Фарадея в обратном порядке. Источник: Apoltix / Wikimedia commons

Но это не повод для беспокойства. Мало того, что излучение не ионизирует, микроволновые печи проходят всесторонние испытания перед поступлением в широкую продажу.

FDA, например, допускает небольшую утечку из микроволновых печей.В настоящее время установлено значение 5 мВт / см2 .

Что такое клетка Фарадея — Как работает клетка Фарадея?

Электрохимикам хорошо известно, что клетка Фарадея используется для уменьшения шума. Хотя это довольно хорошо известно в кругах электрохимии, на удивление трудно найти полезную информацию об использовании и функциях клеток Фарадея в учебниках по электрохимии. Фактически, беглый осмотр множества книг на книжных полках здесь, в Гамри, дал только один результат в «Электрохимии для химиков»: «Вольтамперометрия на микроэлектродах обычно требует, чтобы измерения проводились в клетке Фарадея (защите от электронного шума).

Итак, слава Сойеру, Собковяку и Робертсу за единственное упоминание, которое мы смогли найти при быстром поиске. Они также поняли правильное использование: «снижение шума», что особенно важно в экспериментах с низким током (таких как микроэлектродная вольтамперометрия). К сожалению, нет упоминания об общей настройке, заземлении или других экспериментальных методах, которые выигрывают от использования клетки Фарадея, таких как EIS или измерения коррозии на высокопрочных материалах. Не включено даже общее описание того, что на самом деле представляет собой клетка Фарадея.

История

Британский экспериментатор Майкл Фарадей, безусловно, наиболее известен своими работами с магнетизмом и электричеством. Он был популяризатором науки, Карл Саган или Нил де Грасс Тайсон своего времени, автор, например, популярного «Курса шести лекций по химической истории свечи». Однако гораздо более интересным может быть то, что однажды он отказался от рыцарства, дважды отказался от поста президента Королевского общества, а также отказался быть похороненным в Вестминстерском аббатстве.

Фарадей не очень хорошо разбирался в математике. Его понимание бесчисленных явлений, которые он изучал, было более интуитивным по своей природе. Среди многих вещей, за которые мы можем его поблагодарить, есть электрическая энергия (генерируемая электромагнитной индукцией), бензол и, конечно же, клетка Фарадея.

Что такое клетка Фарадея?

В исследованиях и экспериментах Фарадея, касающихся заряда, магнетизма и их взаимодействия, он обнаружил, что заряд проводника находится только на внешней поверхности. Кроме того, он обнаружил, что ни на что внутри этого проводника не влияет изменение электрического заряда снаружи.Позже теория поля была основана на работе Фарадея, и он действительно верил, вопреки принятой в то время точке зрения, что электрическое поле распространяется в космос за пределы заряда. Имея несколько лучшее понимание вещей сейчас, мы знаем, что электростатическое отталкивание одинаковых зарядов вызывает перераспределение заряда за пределы проводника, что приводит к общему электростатическому полю внутри проводника, равному нулю. «Внутри проводника» означает любое пространство, ограниченное непрерывно проводящим слоем.

Это явление дает довольно приятный результат: любой шум от электронного компонента, который существует вне клетки, полностью подавляется в этом пространстве.Это тот же механизм, который мы, электрохимики, используем для оправдания игнорирования электростатических полей в растворах электролитов с высокой проводимостью. Это также улица с двусторонним движением: любой шум, создаваемый внутри клетки, не может уйти во внешний мир. Это то, что защищает нас от микроволновой печи.

Электромагнитные волны

При проведении экспериментов наша измерительная установка всегда подвергается воздействию электромагнитного излучения. Как уже подразумевается под термином «электромагнитная волна», задействованы две разные формы излучения.Электромагнитные волны состоят из электрического поля, перпендикулярно связанного с магнитным полем.

Рисунок 1 . Электромагнитная волна в направлении распространения x. Подробнее см. В тексте.

В зависимости от длины волны излучения и, следовательно, его энергетического содержания, его можно разделить на разные группы. Наиболее известен, вероятно, в видимом спектре света. На рисунке 2 показана часть электромагнитного спектра от радиоволн низкой энергии до гамма-лучей высокой энергии.

Рисунок 2. Диаграмма электромагнитного спектра.

Как упоминалось ранее, электромагнитное излучение присутствует всегда, взаимодействует с нашей установкой и искажает результаты измерений. На особо чувствительные эксперименты с малыми сигналами может сильно повлиять уменьшение отношения сигнал / шум или невозможность использования данных измерений в определенном частотном диапазоне.

Клетка Фарадея может помочь уменьшить влияние электромагнитного излучения. Из-за природы электромагнитного излучения в проводящей оболочке клетки Фарадея одновременно возникают два различных эффекта.На рисунках 3 и 4 показан общий принцип клетки Фарадея, когда электрическое и магнитное поля взаимодействуют с клеткой Фарадея.

Предположим, что полностью закрытый металлический ящик, который служит клеткой Фарадея с измерительной ячейкой внутри, как показано на рисунке 3. Без электрического поля электроны и катионы металлов равномерно распределены внутри металлического корпуса. Воздействие электрического поля приводит к немедленному перераспределению свободно движущихся электронов и, следовательно, течению тока внутри проводящей оболочки.Это индуцирует вторичное электрическое поле в направлении, противоположном входящему полю. В результате оба поля компенсируются, так что ячейка внутри клетки Фарадея испытывает практически нулевое суммарное электрическое поле.

Рис. 3. Влияние электрических полей на измерительную ячейку внутри клетки Фарадея.

Магнитные поля отличаются от электрических полей. Они не взаимодействуют напрямую с заряженными частицами проводящей оболочки, поскольку в них отсутствуют магнитные заряды.В отсутствие щита Фарадея измерительная ячейка полностью подвергается воздействию магнитных полей (и, очевидно, электрических полей тоже), вызывающих помехи и шум; см. рисунок 4.

Рисунок 4. Влияние магнитных полей на измерительную ячейку с клеткой Фарадея и без нее.

Однако магнитные поля можно перенаправить, используя либо магнитные проницаемые материалы для экранирования, либо электрические токи, индуцируемые внутри проводящего корпуса.

Как описано ранее, электромагнитная волна вызывает ток, противоположный входящему полю.Эти так называемые вихревые токи индуцируют вторичное магнитное поле (синее), которое противодействует входящему магнитному полю (красный) и перенаправляет его. В результате клетка внутри клетки Фарадея испытывает более низкое чистое магнитное поле.

Какую клетку Фарадея использовать?

Ну вообще любой из них! Было бы, конечно, очень хорошо, если бы использовался щит Фарадея Гэмри, показанный на рисунке 5, который предлагает большую универсальность и гибкость.

Рисунок 5. Щит Фарадея Гэмри.

На самом деле, однако, существует небольшая разница в поведении по шумоподавлению между хорошо сконструированными клетками Фарадея. Может быть большая разница, насколько хорошо или легко вы сможете связать свои эксперименты. Вам может понадобиться большая коробка для размещения вашего экспериментального устройства или входные отверстия для ввода газов или воды, или такой материал, как нержавеющая сталь, для борьбы с агрессивными парами и растворами. Вы можете увидеть, что происходит внутри клетки Фарадея, используя окно (с проводящим покрытием) или заблокировать как можно больше света.В конце концов, картонная коробка, обернутая алюминиевой фольгой, даст такое же снижение шума, как и сплошная металлическая коробка.

Деревянная рама и медная или алюминиевая сетка являются общими для самодельных клеток Фарадея. Твердые металлические коробки — хороший выбор, но если вы не покупаете коробку, которая специально разработана для хорошего электронного экранирования, обратите особое внимание на края двери и убедитесь, что между ними есть хороший электрический контакт.

Соображения по конструкции

При постройке собственной клетки или покупке клетки Фарадея следует помнить о трех мелочах.Во-первых, разрывы клетки, то есть прохода кабеля, вызывают зазоры, которые позволяют проникать внешним электромагнитным (ЭМ) полям. Таким образом, проникновение электромагнитного излучения зависит от размера отверстия, а также толщины проводника.

Общее практическое правило состоит в том, что отверстие в клетке Фарадея должно быть меньше 1/10 длины волны, которая должна быть заблокирована. Например, чтобы блокировать электромагнитные поля с частотами 10 ГГц и ниже, размер отверстия клетки Фарадея должен быть меньше 3 мм.

Вторая и более важная проблема — это длительный или даже полный разрыв непрерывности проводящего материала. Доступ к клетке Фарадея через крышку или дверь создает реальную возможность для такого нарушения непрерывности. Если одна сторона прерывается, даже если она является проводящей, то заряд может не перераспределяться должным образом, эффект компенсации не будет существовать, и внутри клетки будет существовать ненулевое поле. Использование провода для соединения прерывистых кромок может помочь при работе с низкими частотами, но часто этого недостаточно для экспериментов с более высокими рабочими частотами и скоростями.

Последней проблемой является проводимость клетки. Это редко является серьезной проблемой, но по мере увеличения размера клетки это может стать серьезной проблемой. Чем более резистивен проводящий слой, тем медленнее перераспределяется заряд, в результате чего поле не компенсируется.

Когда использовать клетку Фарадея

По возможности используйте клетку Фарадея, поскольку она всегда снижает шум, особенно шум от линии электропередач (сети), который является повсеместным — каждая лаборатория в каждом здании в любой стране имеет сеть переменного тока.Однако в некоторых экспериментах наблюдается больший эффект, чем в других. Это эксперименты с малыми токами или высокими частотами, а также эксперименты, в которых требуются очень точные (и точные) измерения.

Практически любой, кто занимается физической электрохимией (CV, импульсная вольтамперометрия, хроноампер и т. Д.), Попадает в последнюю категорию — а когда задействованы крошечные электроды, то и то, и другое. Коррозия может не часто требовать такой высокой точности и точности, но коррозионно-стойкие сплавы легко могут привести к измеренным токам в диапазоне нА (и ниже), где определенно необходима клетка Фарадея.EIS включает более высокие частоты, поэтому любое снижение шума приветствуется. Безопасный ответ — использовать клетку Фарадея всякий раз, когда это физически возможно. Если ток вашей ячейки не превышает 1 мкА, используйте клетку Фарадея.

О заземлении

На рисунке 6 циклические вольтамперограммы, снятые на фиктивном RC-элементе, показаны внутри и снаружи клетки Фарадея. Обратите внимание, что максимальный измеренный ток составляет всего около 1 нА. CV измеряли между 0,1 В со скоростью сканирования 0,5 В / с.

Измерения показывают, что возможно все еще иметь значительное количество шума, даже если испытательная ячейка находится внутри клетки Фарадея. Для правильного использования важно заземлить клетку Фарадея.

Рис. 6. CV на той же фиктивной ячейке RC. (синий) вне клетки Фарадея; (красный) внутри клетки Фарадея без заземления на потенциостат; (зеленый) внутри клетки Фарадея, заземленной на потенциостат.

Все электрохимические измерения относятся к некоторому потенциалу земли в потенциостате.По этой причине эффективное использование клетки Фарадея для электрохимических экспериментов должно включать надлежащее заземление. Хотя проблема с заземлением может стать очень сложной, основная причина довольно проста. Вся клетка Фарадея (включая внутреннюю часть) находится под постоянным потенциалом, и, если он не подключен, этот потенциал может сильно отличаться от опорного заземления потенциостата. В результате могут существовать большие напряжения переменного тока между внутренней частью клетки и заземлением.

Эта разность напряжений передается на электроды емкостным образом, делая предположительно экранированный шум частью измерения.По этой причине всегда подключайте клетку Фарадея к заземлению прибора. У подавляющего большинства также должен быть заземлен потенциостат. Для некоторых потенциостатов это установлено по умолчанию, но для потенциостатов, предназначенных для работы с плавающей землей, как и для всех моделей Gamry, это делается отдельно.

Однако имейте в виду, что заземление не всегда является хорошей идеей. Если вы проводите эксперимент с заземленным электродом, может помочь клетка Фарадея, но только не в том случае, если она привязана к тому же заземлению.Если вы хотите использовать заземленный электрод в клетке Фарадея, вы должны убедиться, что клетка Фарадея и источник заземления потенциостата — хотя все еще подключены по причинам, упомянутым ранее — не заземлены. В этом случае ваш потенциостат должен работать в режиме плавающего заземления.

О паразитных емкостях

Иногда при работе с небольшими сигналами между электрохимической ячейкой внутри клетки и стенкой клетки Фарадея возникает заметная паразитная емкость.На рисунке 7 показаны различные спектры EIS на небольших конденсаторах и эти неоднородности из-за паразитной емкости, которые появляются в измеренном сигнале фазового угла.

Рис. 7. EIS с неоднородностями, вызванными паразитной емкостью клетки Фарадея.

Это явление иногда наблюдается с большими плоскими образцами, параллельными полу клетки Фарадея. Этот эффект иногда появляется даже при использовании нашей калибровочной ячейки внутри калибровочного щита!

Чтобы свести к минимуму паразитную емкость между образцом и клеткой Фарадея, переместите образец от стенок к центру клетки.Щит Фарадея включает отдельную полку для перемещения образца в центр клетки Фарадея. Если полки нет, приподнимите образец над полом клетки, используя непроводящий предмет (например, деревянный брусок, учебник).

Резюме

Используйте клетку Фарадея, когда позволяет ваш эксперимент, особенно при измерении токов ниже 1 мкА или импедансов выше 105 Ом. Убедитесь, что он заземлен должным образом: для пользователей Gamry это означает подключение плавающего заземляющего провода к клетке Фарадея, а затем либо заземление потенциостата через наконечник заземления.

При постройке или покупке клетки Фарадея убедитесь, что она подходит для проводимых вами экспериментов и у вас есть место для нее. Не забывайте о разгрузке кабеля от натяжения (кольцевая стойка или стяжки внутри клетки) и доступе для газа и воды, а также кабеля (-ов) ячейки. Если вы думаете, что можете использовать магнитную мешалку, избегайте клеток Фарадея, сделанных из магнитных материалов. Если вы хотите проверить соединения и посмотреть, что происходит внутри клетки, не нарушая экранирования, используйте стеклянное окно с проводящим покрытием.

Клетка Фарадея своими руками

Фон

Клетка Фарадея — это контейнер, сделанный из проводящего материала, такого как проволочная сетка или металлические пластины, который защищает то, что она окружает, от внешних электрических полей. В наших экспериментах клетка Фарадея может использоваться для предотвращения воздействия внешних электромагнитных помех (EMI или шума) на наши нейронные записи. Как вы знаете, нейронные сигналы, которые мы записываем, очень малы (порядка микровольт), и мы используем наши Spikerboxes для усиления этих небольших сигналов до достаточно большой амплитуды, чтобы мы могли их слышать и записывать.Однако в зависимости от окружающей среды могут существовать электромагнитные, радио, микроволновые или другие типы невидимых излучений, которые могут перемещаться по воздуху и взаимодействовать с металлическими иглами и проволокой, которые мы используем в качестве электродов. Затем металл передает шумовой сигнал, как антенна, в наши нейронные записи, мешая или даже заглушая наши записи, так что все, что мы слышим, в худшем случае, — это радиостанция! Затем можно использовать клетку Фарадея, чтобы заблокировать многие из этих источников шума.

Клетка Фарадея названа в честь ученого 1800-х годов Майкла Фарадея, но чтобы узнать, как работает клетка, мы начнем с другого известного ученого, Шарля-Огюстена де Кулона.Кулон проделал большую работу по динамике заряженных частиц и электрических полей, которые они генерируют. Кулон определил, что электрическое поле «E» на радиусе «r» от неподвижного точечного заряда «Q» можно рассчитать по следующему уравнению:

Где ε ₀ — диэлектрическая проницаемость свободного пространства, а e _r — радиальный единичный вектор. Если вы не понимаете математику (когда-нибудь поймете), это означает, что напряженность электрического поля уменьшается по мере удаления от источника электрического тока.Если вы едете по шоссе и замечаете, что радиостанция гаснет, например, это потому, что вы удаляетесь от большой вышки радиопередатчика.

Вывод заключается в том, что этот закон дает нам основу для математической зависимости, которая связывает заряд и электрические поля в фиксированном объеме пространства. Клетка Фарадея охватывает такой фиксированный объем пространства, и, если клетка сделана из проводящего материала, определяющей характеристикой клетки является то, что она не позволяет внешним зарядам наводить электрические поля в этом объеме.Вот два основных правила, регулирующих этот барьерный эффект:

Закон Кулона требует, чтобы заряды в проводнике в состоянии равновесия находились как можно дальше друг от друга, и, таким образом, чистый электрический заряд проводника полностью находился на его поверхности.
Любое результирующее электрическое поле внутри проводника вызовет перемещение заряда, поскольку он многочислен и подвижен, но равновесие требует, чтобы результирующая сила внутри проводника была равна нулю. Таким образом, электрическое поле внутри проводника равно нулю.

Правило 2 говорит нам, что электрическое поле внутри проводника в состоянии равновесия равно нулю, а Правило 1 говорит нам, что заряд проводника будет полностью находиться на поверхности (границе). Другими словами, поверхность проводящего объема становится барьером, по которому заряды движутся к поверхности и вокруг нее, чтобы генерировать поля, точно противодействующие любому заряду, который стремится пересечь границу, таким образом сохраняя внутреннюю часть свободной от внешних электрических помех.

Фарадей впервые продемонстрировал это в известном эксперименте с ведерком со льдом и металлической сферой.Фарадей опустил металлический шар, заряженный статическим электричеством, в металлическое ведро, поддерживаемое деревянным стулом, которое изолировало ведро от земли. Когда заряженный шар опускали в ведро, не касаясь его, заряды на поверхности ведра перераспределялись за счет электростатической индукции. Эта концепция стала известна как принцип клетки Фарадея, который вы изучаете сегодня.

Ниже мы рассмотрим влияние клетки Фарадея на различные условия при проведении нейронных записей с помощью SpikerBox, а также проведем простой эксперимент, который вы можете провести дома.Вот видео, объясняющее очень простой способ построить и использовать клетку Фарадея.

Видео

Процедура

Построение клетки Фарадея

Обратите внимание, что мы также продаем готовые клетки Фарадея, если вы не хотите посещать строительный магазин.

Измерьте прямоугольник 8 x 16 дюймов из металлической сетки экрана.
Вырежьте прямоугольник большими ножницами.
Отмерьте и отрежьте пять деревянных планок длиной 8 дюймов
Осторожно разверните прямоугольник металлической сетки, чтобы он лежал ровно
Начало скрепления металлической сетки через деревянные планки
Сшиваем первую полосу на конце сетки.
Скрепите вторую полосу на расстоянии 5,5 дюймов от первой полосы, снова продольно на сетке
Сшивание третьей полосы на расстоянии 2,5 дюйма от второй полосы
Сшивание четвертой полосы на расстоянии 5,5 дюйма от третьей полосы
Сшивание пятой полосы на дальнем конце сетки
Деревянные полоски являются скобами, поэтому после их скрепления сложите сетку на каждой полоске, чтобы сформировать прямоугольную коробку.

Использование клетки Фарадея для шипов

Установите стандартную подготовку для записи лапок таракана, как описано в эксперименте 1
Создайте шумную обстановку, подключив ноутбук к розетке и включив паяльник или другое мощное устройство.Поместите SpikerBox рядом с этой электроникой, а также включите все флуоресцентные лампы в комнате. Запишите свои наблюдения за уровнем шума в зависимости от уровня нейронного сигнала.
Прикрепите зажим типа «крокодил» к земле (за пределами разъема RCA) на Spikerbox.
Поместите Spikerbox в клетку Фарадея с открытой клеткой. Запишите свои наблюдения за уровнем шума в зависимости от уровня нейронного сигнала.
Закройте клетку Фарадея, но ни к чему не присоединяйте зажим «крокодил». Запишите свои наблюдения за уровнем шума vs.уровень нейронного сигнала
Подсоедините кабель типа «крокодил» к сетке экрана клетки. Запишите свои наблюдения за уровнем шума в зависимости от уровня нейронного сигнала

Использование клетки Фарадея на мобильных телефонах

Микроволновые печи являются примерами клеток Фарадея, потому что они предназначены для предотвращения утечки излучения, используемого для приготовления пищи, в окружающую среду. Алюминиевая фольга — это проводящий материал, который также можно использовать для создания быстрой импровизированной клетки Фарадея (просто спросите своего соседского нейробиолога).

Позвоните на свой мобильный телефон и убедитесь, что он звонит (это ваш контроль).
Затем возьмите мобильный телефон и положите его в (выключенную!) Микроволновую печь.
Позвоните на мобильный телефон с другого телефона. Звонит?
Затем откройте дверцу микроволновой печи и наберите номер домашнего телефона на сотовом телефоне. Как только вы нажмете «отправить», быстро закройте дверцу микроволновой печи. Звонит ли ваш домашний телефон?
Наконец, заверните сотовый телефон в алюминиевую фольгу. Снова позвонить на мобильный? Звонит?

Вопросы для обсуждения

Как вы думаете, что клетка Фарадея будет делать с электромагнитным сигналом, исходящим изнутри клетки? Сможет ли кто-нибудь за пределами клетки Фарадея принять этот сигнал?
Где было бы идеальное место для записи?
Что, по вашему мнению, произошло бы, если бы вы использовали проволочную сетку с большими отверстиями вместо металлической сетки с маленькими отверстиями для вашей клетки Фарадея?
Как вы думаете, почему шум сотового телефона все еще мешает работе SpikerBox, хотя отверстия в нашей клетке Фарадея меньше 1.4 см мы рассчитали?

Extra (отправлено пользователем)

Можно также использовать старую металлическую коробку, съев из нее все печенье. Вместо использования двойного кабеля типа «крокодил» для прикрепления эталона к клетке Фарадея вы можете сделать кабель зонда трехжильным. Два обычных электрода (эталон + регистрирующий электрод) + один дополнительный эталон с зажимом из крокодиловой кожи, который вы подключаете к металлической коробке для печенья.

Клетка Фарадея — MagLab

Клетка Фарадея — важный инструмент для некоторых ученых из MagLab.Но они не работают с с — они работают с внутри .

Кристен Койн

Клетки Фарадея — это конструкции — размером с обувную коробку или размером со здание — которые защищают то, что находится внутри, от окружающего электромагнитного излучения (ЭМ).

Нас окружает невидимое электромагнитное излучение в виде радиоволн AM и FM, видимого света, микроволн, ультрафиолетовых лучей и других источников. В основном мы получаем выгоду от этих волн в виде попкорна, который можно разогреть в микроволновой печи, мелодий по автомобильному радио и того самого света, который позволяет нам видеть.

Некоторые ученые, однако, не хотят этого, потому что они проводят эксперименты настолько чувствительно, что энергия этих волн мешает их работе. Единственный способ избежать этого вмешательства — это поместить себя в клетку — клетку Фарадея.

Эти структуры названы в честь Майкла Фарадея, легенды в истории науки в целом и электромагнетизма в частности. В 1830-х годах англичанин облил комнату металлической фольгой и засыпал ее электричеством, вырабатываемым электростатическим генератором.Электроскоп в комнате подтвердил то, что подозревал Фарадей: в комнате не было электрического заряда. Как оказалось, ток проводила только сама поверхность металлической фольги. Движение электронов по поверхности металла служило для создания электрически нейтральной области внутри клетки. Вот как автомобили защищают вас от молнии: заряд проходит по внешнему слою металла, но не проникает внутрь автомобиля.

Клетки Фарадея защищают не только от статического электрического заряда, но и от электромагнитных волн; это известно как электромагнитное экранирование .Материалы, используемые для изготовления вашей клетки, зависят от длины волн, которые вы пытаетесь не допускать (те, которые имеют длинные и низкие частоты, например, радиоволны, или более короткие волны и более высокие частоты, например, рентгеновские лучи), и от того, в какой степени вы нужно их исключить. Например, в лаборатории High B / T MagLab в лаборатории Microkelvin Университета Флориды в Гейнсвилле необходимо исключить все электромагнитные волны. Магнит находится в экранированном помещении класса «буря», стены которого сделаны из слоев меди и сварной стали, которые поглощают весь спектр электромагнитного излучения.Эксперименты там проводятся при экстремально низких температурах, чуть выше абсолютного нуля в микрокельвинах. (Кельвин — это единица измерения, которую ученые используют для измерения температуры; — абсолютный ноль — это абсолютное отсутствие какого-либо движения атомов, какого бы то ни было тепла… он настолько холоден, насколько может быть холодно, холоднее, чем любое естественное место в нашей солнечной системе) .

На заводе в Милликельвине MagLab в Таллахасси ученые также проводят чувствительные эксперименты, хотя и не так чувствительны к окружающим радиочастотам, как на установке High B / T.(В установке «Милликельвин» эксперименты могут проводиться в пределах 7 тысячных долей Кельвина выше абсолютного нуля; на установке «Микрокельвин» они могут проводиться в пределах 40 миллионных долей Кельвина выше абсолютного нуля!)

Первоначальная конструкция завода в Милликельвине не предусматривала электромагнитного экранирования. Со временем пользователи начали сообщать о вмешательстве в их эксперименты, которое они не могли объяснить из других вероятных источников. Они подозревали, что электромагнитное излучение проникает в установку, попадает в экспериментальное пространство по проводам, соединяющим эксперименты с измерительным оборудованием и компьютерами, и мешает измерениям.

Но сотрудники лаборатории не могли понять, почему объект в Милликельвине, по-видимому, пострадал от предполагаемого электромагнитного излучения больше, чем другие экспериментальные объекты в Маглаборатории.

В конце концов ответ стал ясным, как стекло: в отличие от других экспериментальных зон, в Милликельвинском комплексе много окон. Фактически, 450 квадратных футов объекта покрыты стеклом. Электромагнитное излучение от близлежащих радиостанций, аэропорта и других источников проходило прямо через эти окна, как если бы они были открыты, позволяя падающей радиочастотной энергии проходить мимо окружающих металлических стен.Решив пожертвовать видом во имя науки, сотрудники Милликельвина и Центра покрыли окна тонкой медной сеткой, заблокировав легкий доступ для электромагнитных волн и функционировавшей как клетка Фарадея.

Результат? До того как окна были заблокированы, уровень внешней радиочастотной мощности на объекте — совокупная энергия всех этих электромагнитных волн — был примерно таким же, как и снаружи на парковке. После установки медной сетки внешняя мощность была уменьшена в 100 раз.

Как это работает

Электромагнитные волны — это две волны в одной. Электрическая волна, создающая электрическое поле, движется вдоль одной плоскости, а магнитная волна, создающая магнитное поле, которое движется перпендикулярно электрическому полю, как показано ниже. Два поля подпитывают друг друга, создавая самораспространяющуюся волну.

Обоим этим областям мешает клетка Фарадея, но по-разному.

Электрическое поле отклоняется способом, обнаруженным в эксперименте Фарадея 1830-х годов.Поле заставляет электроны в металле клетки перестраиваться, нейтрализуя любой заряд внутри клетки. Фарадей также проиллюстрировал это явление на ведре со льдом.

Когда магнитные волны входят в контакт с клеткой Фарадея, они создают в проводнике ток, известный как вихревой ток. (Движущееся магнитное поле всегда генерирует ток в проводниках — это называется электромагнитной индукцией). Эти вихревые токи, в свою очередь, создают магнитные поля, которые противостоят полю встречных волн.Таким образом, эти волны не проникают внутрь клетки.

Спасибо директору полевого комплекса DC Тиму Мерфи, научному консультанту на этой странице.

Что такое клетка Фарадея? — Определение и материал — Видео и стенограмма урока

Строительные материалы для клетки Фарадея

Все начинается с материалов, из которых изготовлена клетка Фарадея. На самом деле построить его самому несложно. На самом деле, у вас, вероятно, есть все необходимые материалы на вашей кухне.Единственный материал, который вам нужен, это токопроводящий материал.

Проводящий материал — это материал, пропускающий электричество. Металлы — это наиболее распространенный в настоящее время проводящий материал. Другие примеры — вода и человеческое тело. Противоположностью проводнику является изолятор из таких материалов, как резина, дерево, стекло или пластик. Эти материалы не пропускают электричество. Но как построить клетку из проводящего материала, чтобы защитить то, что внутри, от электричества?

Эта клетка для птиц окружена металлом, что делает ее также клеткой Фарадея.

Как работают клетки Фарадея

Когда клетка Фарадея подвергается воздействию внешней электрической силы, электроны проводящего материала клетки реагируют и перемещаются таким образом, чтобы нейтрализовать внешнюю электрическую силу.Клетка Фарадея в конечном итоге производит собственную электрическую силу, прямо противоположную той, которой она подвергается. Эта равная и противоположная сила нейтрализует внешнюю силу. Внутри клетки вы получаете полностью нейтральную электрическую среду.

Ограничения клетки Фарадея

Однако существуют ограничения для клетки Фарадея. Они не блокируют магнитные поля, поэтому магнитное поле Земли пробивается сквозь них. Кроме того, тип используемого проводящего материала и его конструкция также определяют реакцию на электрическую силу.Например, сетки защищают не так хорошо, как цельный металлический лист. Различные типы металлов также имеют разную проводимость. Медь, например, имеет более высокую проводимость и делает клетку Фарадея лучше, поскольку она реагирует на большее количество электрических сил.

Примеры клетки Фарадея

Если вы не ученый, то вы, вероятно, не обнаружите, что работаете с настоящей клеткой Фарадея, но есть примеры клеток Фарадея в повседневной жизни. Вернемся к примеру с автомобилем в начале этого урока.Ваша машина — это образец клетки Фарадея. Если в вашу машину, сделанную из металла, ударит молния, все будет в порядке, пока вы остаетесь внутри. Другой пример — самолет. Пассажиры, летящие в самолете, пораженном молнией, будут защищены. Наконец, ваша микроволновая печь представляет собой клетку Фарадея, которая предотвращает утечку излучения. Лифты часто действуют как клетки Фарадея; когда-нибудь замечали, что ваш мобильный телефон сбрасывает сигнал, пока вы в нем?

Говоря о сотовых телефонах, владелец бара в Великобритании установил проволочную сетку в своих стенах и дверях, превратив их в клетку Фарадея.Владелец бара устал от того, что все разговаривают друг с другом по мобильным телефонам, поэтому, превратив свой бар в клетку Фарадея, он заблокировал вход сигналов сотового телефона в свой бар.

Резюме урока

Давайте рассмотрим то, что мы узнали. Клетка Фарадея — это токопроводящая клетка, которая защищает внутреннюю часть от внешних электрических полей и внешнего электромагнитного излучения. Единственный материал, необходимый для создания клетки Фарадея, — это проводящий материал или материал, который позволяет электричеству проходить через него, в то время как противоположный материал — изолятор , который представляет собой материал, который не пропускает электричество, например резина.Алюминий, медь и золото — примеры хороших проводников. Клетки Фарадея работают, создавая равную и противоположную электрическую силу при воздействии внешней электрической силы, которая нейтрализует электрическую силу внутри клетки, таким образом делая электрическую силу внутри клетки равной нулю.

Что такое клетка Фарадея и принцип ее работы

История изобретения клетки Фарадея

Где применяется клетка Фарадея в современном мире

Микроволновые печи

Защитные костюмы для электриков

Как сделать простую клетку Фарадея своими руками

Эффективность экранирования клетки Фарадея

Ограничения клетки Фарадея

Интересные факты о клетке Фарадея

Клетка Фарадея. Работа и применение. История и особенности

История открытия

Ниже приведен ряд примеров использования клетки и схожих устройств для защиты людей и оборудования.

Похожие темы:

Клетка Фарадея — Закон электромагнитной индукции

Клетка фарадея принцип работы — MOREREMONTA

Устройство и принцип работы

Применение клетки Фарадея

Самостоятельное изготовление устройства

Клетка Фарадея: применение и принцип работы

Устройство и принцип работы

Применение клетки Фарадея

Самостоятельное изготовление устройства

описание и принцип работы решетки

История открытия

Описание конструкции

Применение клетки Фарадея

Зачем нужна клетка Фарадея

Сферы применения эффекта КФ

РЧ-кабина

МРТ-помещения

Лаборатории

Защитные костюмы

В мире развлечений

Как выглядит при окрашивании

Клетка Фарадея своими руками

Заключение

Клетка Фарадея — это… Что такое Клетка Фарадея?

Ссылки

Защитит ли пачка чипсов от слежки?

Как вообще может работать слежка через мобильный телефон

Эксперимент: защищает ли от слежки пакетик из-под чипсов

Терминатор 6/3: помимо чипсов

Что такое клетка Фарадея?

Как работают клетки Фарадея | HowStuffWorks

Как работает клетка Фарадея

Что такое клетка Фарадея?

Когда была изобретена клетка Фарадея?

Бенджамин Франклин тоже заслуживает некоторой похвалы.

Как работают клетки Фарадея?

Для чего используются клетки Фарадея?

Клетки Фарадея на 100% эффективны?

Что такое клетка Фарадея — Как работает клетка Фарадея?

История

Что такое клетка Фарадея?

Электромагнитные волны

Какую клетку Фарадея использовать?

Соображения по конструкции

Когда использовать клетку Фарадея

О заземлении

О паразитных емкостях

Резюме

Клетка Фарадея своими руками

Фон

Видео

Процедура

Построение клетки Фарадея

Использование клетки Фарадея для шипов

Использование клетки Фарадея на мобильных телефонах

Вопросы для обсуждения

Extra (отправлено пользователем)

Клетка Фарадея — MagLab

Как это работает

Что такое клетка Фарадея? — Определение и материал — Видео и стенограмма урока

Строительные материалы для клетки Фарадея

Как работают клетки Фарадея

Ограничения клетки Фарадея

Примеры клетки Фарадея

Резюме урока

Похожие записи

Особенности питания кормящей мамы: что можно и нельзя есть при грудном вскармливании