Великий английский ученый Майкл Фарадей известен всему миру, как первооткрыватель , 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

Данное устройство получило свое название в связи с тем, что для первых экспериментов была использована металлическая клетка, материал которой отличался высокой электропроводностью. Такая конфигурация сохранилась и до настоящего времени. Толщина используемого материала делает клетку настолько мощной и эффективной, насколько это необходимо в каждом конкретном случае. На эти показатели влияет соотношение размера ячейки к длине волны внешнего поля.

Принцип действия устройства и ее эффект довольно простой. При попадании клетки под действие электрического поля, начинается движение свободных электронов внутри ее металлических конструкций. Они начинают собираться вместе, образуя определенную конфигурацию. В противоположных стенках конструкции образуются разноименные заряды, под действием которых создается новое поле с направлением, противоположным внешнему полю.

Это вновь образованное поле образует противодействие внешним электромагнитным полям и компенсирует их влияние. В результате, внутри клетки нет каких-либо электрических полей или шумов. Иногда клетка фарадея как накопитель энергии рассматривается чисто теоретически, поскольку электричество не задерживается в конструкции на длительный срок.

Для проверки этих физических явлений нужно взять два электроскопа и поместить один из них внутри, а другой - снаружи клетки. Соответственно, первый прибор ничего не покажет, а второй - зафиксирует наличие электрических зарядов. Данная проверка необходима, если потребуется сделать устройство своими руками.

В отличие от электрического, постоянное магнитное поле практически беспрепятственно проникает внутрь клетки. Переменное 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 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.

Гениальный учёный и изобретатель XIX века Майкл Фарадей известен активной работой с электричеством, электромагнитным полем и связанными с ними физическими явлениями. Одним из значимых открытий стала защитная конструкция, названная клеткой Фарадея. Ниже разберёмся, что это такое и какую практическую ценность представляет изобретение.

Что такое клетка Фарадея

Клетка Фарадея - это бокс со стенками из хорошо проводящего ток металла. Конструкция не требует подключения внешнего питания, но, как правило, заземляется. Физический эффект клетки проявляется под воздействием на неё внешнего фактора, в роли которого выступает электромагнитное излучение.

Первые конструкции для демонстрации экранирующего эффекта имели вид обычной клетки, что и дало название этому явлению. На самом деле проволочные или перфорированные стенки «коробки» удобны для визуального контроля предметов или приборов, находящихся внутри замкнутого пространства, но их легко можно заменить сплошными. Главное, чтобы материал был токопроводящим.

Принцип действия

Действие клетки Фарадея основано на том факте, что заряд при попадании в проводник распределяется на его поверхности, в то время как внутренняя часть остаётся нейтральной. По сути вся клетка, состоящая из токопроводящего материала является единым проводником, «концы» которого приобретают противоположный заряд. Возникающий при этом электрический ток создаёт поле, компенсирующее внешнее воздействие. Напряжённость электрического поля во внутренней части такой конструкции равна нулю.

Интересно, что если поле сгенерировано внутри клетки, то эффект тоже работает. Однако при таком раскладе заряд распределится по внутренней поверхности сетки или другой проводящей плоскости и наружу проникнуть не сможет.

В англоязычной терминологии КФ звучит как «Faraday shield», то есть «щит/экран Фарадея». Это понятие хорошо передаёт суть устройства, которое, как щит или защитный экран, отражает воздействующие на его содержимое лучи.

Следует помнить, что экранирующий эффект работает только на переменном магнитном поле. Постоянному или слабопеременному магнитному воздействию, например, естественному магнитному потенциалу Земли, помех он не представляет.

Чтобы определить, отразит ли камера Фарадея высокочастотное излучение, достаточно знать размер ячеек сетки (если проводящая часть выполнена в виде клетки) и длину воздействующей волны. Конструкция эффективна, если вторая величина больше первой.

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.

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.

Изготовление клетки Фарадея своими руками

В быту изготовление самодельной КФ может понадобиться, чтобы «спрятать» гаджеты от действия различных волн, которые могут вызвать нарушения в чувствительной электронной «начинке».

Примером такой конструкции может служить определённым образом отделанный фанерный ящик. Так как фанера при этом выступает изолирующим слоем, она должна быть идеально чистой и сухой. Можно собрать ящик своими руками или взять готовый - главное, чтобы он был собран без использования гвоздей либо другого металлического крепежа. Сборка производится в несколько этапов:

1. Пищевую фольгу делят на отрезки, по размеру фанерных стенок или их заготовок.
2. Поверхности будущего ящика с внешней стороны отделывают фольгой. При этом наружу должна быть обращена её блестящая сторона.
3. Стенки скрепляют изнутри скотчем, а на дно ящика кладут пару ковриков для компьютерной мышки.
4. Тщательно проверяют, что в закрытом положении крышки слой фольги образует сплошную оболочку, без малейших зазоров и разрывов.

Второй вариант предполагает, что основой клетки Фарадея своими руками служит металлический резервуар (кастрюля, ящик, бокс и т. п.), внутри которого обустраивается изоляция из картона, той же фанеры или другого материала. Условие плотного прилегания крышки для этой конструкции не менее важно, чем для описанной выше.

Надо ли делать заземление

Не существует единого мнения по поводу необходимости заземления КФ. В обязательном порядке заземляются крупные конструкции и те, на которые может быть оказано действие особенно мощным электрическим разрядом.

Заземление, определённо, предохраняет от нештатных ситуаций, когда накопленный сильный заряд может «пробить» воздушную среду и ударить в расположенный неподалёку предмет или человека.

Тестирование самодельной клетки Фарадея

Чтобы проверить принцип работы клетки Фарадея на практике, удобнее всего использовать компактный радиоприёмник на батарейках. Его следует включить на максимальную громкость и настроить на самый мощный из доступных FM-каналов. Если клетка работает, радио в нём замолчит.

Если приёмник хоть немного, но слышно, значит, стопроцентной экранизации добиться не удалось, и следует искать прорехи в токопроводящем слое.

Подходит для тестирования самособранной камеры и мобильный телефон. Оказавшись внутри, он перестанет принимать сигналы базовых станций, то есть при звонке на него услышите соответствующее сообщение автоматического информатора сотового оператора.

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

КЛЕТКА ФАРАДЕЯ И ДИЭЛЕКТРИКИ

КЛЕТКА ФАРАДЕЯ И ДИЭЛЕКТРИКИ

Если бы мы могли перенестись в Королевский институт в конце 1835 года, мы бы увидели Фарадея, погруженного в конструирование необычного гигантского приспособления. Оно было настолько огромным, что его пришлось переместить в лекционный зал института: размеры лаборатории в подвале не могли вместить огромный деревянный каркас, покрытый алюминиевыми листами. Несведущий наблюдатель, вероятно, решил бы, что Фарадей конструирует какой-нибудь вид оружия, что-то вроде боевого танка. Может быть, это было похожим на клетку для фантастического существа, заземленную и подсоединенную к электростатическому генератору. Но внутри нее был только сам Фарадей, он сидел там в ожидании, пока его ассистент, сержант Чарльз Андерсон, подаст заряд на клетку, и от нее полетят искры.

Эксперимент несколько напоминал книгу о докторе Франкенштейне, когда его изуродованный помощник подключал электрический аппарат, чтобы вернуть тело к жизни. Однако Фарадей не ожидал получить от электричества никакой живительной силы. Он надеялся на обратное - не произойдет вообще ничего - и достиг этого: даже самые точные измерительные аппараты не смогли обнаружить никаких электрических эффектов внутри клетки, как будто она ограждала сидящего внутри от искрящего повсюду электричества.

Эта система экранирования получила название клетки Фарадея и в последующем начала использоваться для защиты чувствительных инструментов от радио- или электромагнитных явлений. Например, обычный лифт, если он представляет собой закрытый металлический ящик, может иметь свойства клетки Фарадея, поэтому часто в лифте не работает мобильная связь. В микроволновках также используется принцип клетки Фарадея для того, чтобы волны не проникали наружу. Самолеты также функционируют по этому принципу: если молния попадет в самолет, пассажиры останутся невредимы.

В эксперименте, несмотря на то что электростатический генератор подавал ток высокого напряжения, никто и ничто в клетке не подвергалось действию электричества. Для проверки того, что внутри клетки не было электрических зарядов, Фарадей использовал электроскоп - инструмент, позволяющий обнаруживать и измерять заряд отдельного тела. Электроскоп показал, что на внутренних стенках клетки заряд не обнаруживается.

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

Принцип работы клетки Фарадея относительно прост (см. схему). Сама клетка - из металла и работает как полый проводник. Когда на нее действует внешнее электромагнитное поле, положительные заряды остаются на поверхности, а отрицательные - электроны - свободно перемещаются по металлу в противоположном направлении по отношении к электрическому полю. На одной стороне клетки собираются электроны, с другой стороны образуется их недостаток. При поляризации проводника генерируется внутреннее электрическое поле такой же величины, но противоположное по направлению внешнему полю, поэтому сумма полей внутри проводника равна нулю. Силы нейтрализуют сами себя. Благодаря явлению электростатического экранирования ни один заряд не может пройти через клетку, так как внутри нее поле отсутствует.