Что такое Клетка Фарадея и как она работает

Биография Майкла Фарадея наполнена множеством разнообразных открытий, но клетка Фарадея занимает среди них особое место. О том, что такое клетка Фарадея (КФ), как она работает и каким способом ее можно сделать своими руками, будет рассказано ниже в данном материале.

Майкл Фарадей

В англоязычной литературе клетка Майкла Фарадея называется Faraday Cage. Другие название, которое можно также встретить в сети — это экран или сетка Фарадея. Простыми словами устройство можно описать так — оно представляет собой металлическую клетку, которая не пропускает внутрь своего полого пространства электрическое поле. В первом опыте (1836 г.) это была комната, покрытая латунной плёнкой. На плёнке во время подключения ее к высоковольтному электростатическому генератору появлялся электрозаряд.

Первое экранированное сооружение

Поднесённый к плёнке электроскоп поднимал листочки, фиксируя наличие заряда, а потом опускал их внутрь комнаты, когда происходило прикосновение к внутренним стенам. Такой вариант показывал отсутствие в комнате электрического поля. Это предположение подтверждало и поведение животных в комнате, которые не изменяли свое поведение и вели себя вполне спокойно при подаче на внешние стены помещения высоковольтного заряда. В этот момент Фарадей понял, что клетка способно уменьшать или нейтрализовать внешнее поле. Однако экспериментально это было доказано гораздо позже.

Клетка Фарадея для помещения

Принцип работы

Ниже попытается выяснить про клетку Фарадея следующее: что это такое и на каком эффекте основан принцип ее работы.

Клетка Фарадея и ее принцип работы довольно прост: когда на одну стенку клетки начинает воздействовать электромагнитное поле, то внутри нее инициируется движение свободных электронов. В этот момент на противоположной стороне клетки начинает образовываться свое электрическое поле, которое пытается компенсировать действие данного внешнего поля. За счет того, что есть такой экран, внутрь клетки внешнее поле проникнуть не может.

Электроскоп — прибор, который позволяет обнаруживать наличие электрических зарядов у наэлектризованных предметов, взаимодействующих с ним. Индикатором и измерителем поля служат обычные листочки. О величине электрического поля судят по величине угла их отклонения от вертикали.

Электроскоп

Понять, как работает данная клетка, позволяет приведенное ниже описание и изображение:

  1. В клетке Фарадея отсутствует электрическое поле.
  2. Электрическое поле начинает воздействовать на одну стенку клетки. За счет этого в ней начинается перераспределение заряженных частиц и поле пытается проникнуть внутрь клетки.
  3. На другой стенке заряды также приходят в движение и компенсирует воздействие зарядов противоположной стенки. Поэтому внутри клетки создается своеобразный экран и возникающее электрическое поле нейтрализуется.

Принцип работы клетки Фарадея

Практически полностью нейтрализовать воздействие внешнего поля невозможно. Этим сразу развенчивается одно из главных заблуждений людей, которые думают, что данный экран полностью защищает предметы внутри клетки от любых полей. Клетка лишь может максимально снизить его воздействие. Поэтому очень маленькое поле внутри клетки обычно присутствует всегда. При этом надо также понимать, что данное устройство не может обеспечить защиту от  постоянных или медленно изменяющихся магнитных полей. Внутри такой клетки компас будет работать и укажет правильное расположение севера. То есть, магнитное поле Земли может без проблем проникать внутрь данной клетки.

Опыт с ведёрком для льда

Через 7 лет после опыта с клеткой Фарадей (1843г.), изучая статическое электричество и изолирующий эффект данного устройства, проводят знаменитый опыт с ведёрком для льда. Это был первый количественно точный эксперимент по электростатическим зарядам. Он наглядно продемонстрировал принципы, лежащие в основе электростатической индукции и клетки Фарадея.

Опыт с кюветой

Суть данного опыта заключался в следующем. В металлическое ведёрко для льда (кювета), стоящее на деревянной табуретке (изолятор), опускался латунный шарик на сухой шёлковой нити. К ведёрку снаружи был подсоединён позолоченный электроскоп. Электростатической машиной или лейденской банкой шар заряжался, а потом его начинали опускать в ведёрко.

Во время измерения заряда внутри ведерка электроскоп заземляли. При положительном заряде на шаре при приближении его к верхнему краю ведёрка лепестки начинали расходиться. Они отходили от вертикали до тех пор, пока шар полностью не входил внутрь ведёрка.

Линии поля при опускании шарика

На картинках отражены 4 этапа опускания шара:

  1. Начало опускания шара. Он ещё далеко от края ведёрка. Силовые линии от шара заходят внутрь ведёрка, до середины и частично огибают его снаружи до земли. Они также исходят от дна ведёрка на землю.
  2. Шар частично погружён в ведёрко. Картина примерно такая же, только силовые линии глубже проникли внутрь емкости. Снаружи они полностью огибают ведёрко и исходят уже не только из его дна, но и из нижней внешней части.
  3. Шар приблизился к самому дну, но не касается его. Силовые линии от него полностью распределены внутри ведёрка и не выходят наружу. Снаружи они по-прежнему исходят от дна к земле. Передвижения шара внутри емкости не изменяют угол наклона лепестков электроскопа. То есть заряд на наружной поверхности ведёрка остается постоянным и не зависит от положения шара внутри емкости.
  4. Шар коснулся дна, внутри ведёрка нет силовых линий — шар разрядился. Снаружи картина силовых линий прежняя. Если представить другую картинку — поднятие шара из емкости со льдом. По мере поднятия шара электроскоп начал бы показывать уменьшение заряда на внешних стенках. При этом силовые линии от шара будут выходить за пределы ведра.

Получается, что в металлическом предмете (ведёрке) всегда присутствует множество свободных электронов, которые сразу же начинают реагировать на появление рядом с ними электрического поля. Возникновение такого поля инициирует опускающийся в ведерко заряженный шар.

Заряды противоположной полярности начинают притягиваться друг к другу. При положительном заряде на шаре к нему начнут притягиваться отрицательно заряженные электроны, которые скапливаются на внутренних стенках ведра. В то время как положительно заряженные заряды такой же величины собираются на наружных стенах. Снаружи и внутри контейнера соберутся заряды одной величины, равные заряду на шаре, но имеющие при этом противоположный знак. Это и есть процесс электростатической индукции. Он обратим, по мере извлечения шара и удаления его от ведра, эти заряды снизятся до нуля. Когда заряженный шар касается дна, заряды с шара вытекают и нейтрализует заряды на внутренних стенах. Затем он перераспределяется на внешние стены.

Защита здания от удара молнии

Чистый заряд на внутренних стенах проводника и внутри самого проводника всегда будет нулевым, даже если внутри него находится заряженный предмет. Если внешний заряд не касается внутренних стенок, то он индуцирует равный заряд противоположного знака на них. Если касается, то он вытекает и устремляется к внешним стенкам, выталкиваемый зарядом противоположного знака. И поэтому заряд на проводнике всегда распределяется по его поверхности, но внутрь не попадает.

Забавно и поучительно

Почти за 80 лет до опытов с клеткой Фарадея, этот же эффект обнаружил знаменитый американец Б. Франклин, причем на очень простом и изящном опыте: он просто опускал в заряженную металлическую банку незаряженный пробный шарик. Внутри банки шарик никак не реагировал, а снаружи вблизи стенок банки он притягивался к ним. Если шарик касался стенок банки изнутри, то становился незаряженным. Если снаружи, то наоборот заряжался.

Опыт Франклина

Подводя краткие итоги таких экспериментов: был обнаружен эффект, при котором шарик внутри емкости разряжается, а снаружи ее наоборот заряжается. Однако считать это открытием все же нельзя, ведь во время экспериментов не были объяснены причины такого поведения зарядов.

Незадолго до этих опытов эффект клетки Фарадея был теоретически предсказан несколькими учеными: в 1813 это сделал француз Пуассон, а в 1828 англичанин Грин. Они объяснили, что поскольку внутри проводника электропотенциал неизменен, то и электрическое поле там отсутствует. Согласно всех проведенных опытов было сделано заключение, что поверхность проводника и есть экран, который исключает проникновение внутрь него электромагнитного поля.

Шоу клетка страха

Клетка и эффект Фарадея против магнитного и электромагнитного поля

Другая ситуация с постоянным или слабо изменяющимся магнитным полем. Стенки клетки с множеством выстроенных на их наружных поверхностях электронов абсолютно не препятствуют его проникновению внутрь. Что касается переменного электромагнитного поля, то оно не успевает возникнуть внутри проводника, так как там не появляется переменное электрополе, а значит и магнитное поле также отсутствует.

МРТ установка

Если подобное поле высокочастотно, то КФ работает как экран, отражающий основную часть волн, остальное затухает в его скин-слое (поверхностном слое), нагревая последний из-за возникающих потерь, связанных с вихревыми токами.

Эффективность экранирования

Не всегда происходит полное экранирование внутренней поверхности проводника от статического внешнего электрополя. Это легко объясняется на примере с ледяным ведёрком: Даже когда заряженный шар опускается в контейнер ниже его верхнего края, часть силовых линий выходит наружу, а экранирование получается неполным. Когда Фарадей плотно закрывал ведёрко крышкой, вот тогда заряд экранировался полностью.

Экранированная комната

Эффективность КФ по снижению воздействия внешнего поля зависит от ряда факторов:

  • Дистанция между источником поля и клеткой.
  • Сетка — сечение ячеек и показатели электропроводности материала, из которого она изготавливается.
  • Насколько мощный источник поля.
  • Электромагнитные волны — их форма и частотность.

Сетка Фарадея

Клетка Майкла Фарадея, что и закономерно, будет эффективно работать в том случае, когда толщина стенок и глубина самой клетки будут больше, а размер ячейки наоборот меньше. Сплошные (без ячеек) виды КФ ослабляют электромагнитные поля сильнее сетчатых клеток в гораздо более широком частотном диапазоне.

Области применения клетки Фарадея

В экранировании большинства кабелей заложен принцип КФ. При этом выбираются хорошо проводящие материалы. Плюс размеры ячеек делаются значительно меньше длин волн, от которых экранируется данный кабель.

Экранированный кабель

В микроволновой бытовой технике с дверцами также используется эффект клетки Фарадея. Это достигается за счет нанесения на дверцу мелкоячеистой решетки. Главное требование к последней — размер ячеек должен быть значительно меньше длины волн (частота 2.45х109 Гц или ~ 12 см).

Микроволновая печь

Если хочется избежать обнаружения сотового телефона по излучению, можно просто поместить его в микроволновку (выключенную, конечно).

В защитных костюмах для высоковольтных линий применяется сетка из тонких волокон из меди или нержавейки. Такая конструкция, работающая на эффекте КФ, защищает от огромного статического заряда, скапливающегося на проводах и конструкции высоковольтных ЛЭП. По словам разработчиков такой спецодежды, работники могут не опасаться, ведь они надежно защищены от статического электричества и его воздействия.

Защитная одежда электромонтажников

Целый ряд помещений требует экранирования от внешних электромагнитных полей. Некоторые владельцы иногда защищают свои квартиры таким способом, но это встречается не так часто. Зачастую ее используют в помещениях с томографами, радиочастотных кабинах и различных лабораториях. Такой же способ используется для экранирования чувствительного электронного оборудования от радиопомех. Нужна подобная защита и при юстировке, тестировании электронных устройств.

Камера с защитой от электропомех

При защите от удара молний используется стекание токов поверх клетки, исключающие попадание их внутрь. Аналоги КФ — пассажирские отсеки в самолётах и автомобилях, защищающие пассажиров от ударов молний. Пример бытового применения — бустерные сумки, которые представляют собой обычные хозяйственные сумки, обклеенные изнутри алюминиевой фольгой. Имитацией КФ можно считать лифты и тюремные помещения. Другие варианты использования эффекта Фарадея — различные военные и правительственные здания.

Окрашивание поверхностей и эффект Фарадея

Дефект, который возникает при окрашивании различных поверхностей, также был назван клеткой Фарадея. Причина его заключается в наличии зоны выталкивания, так как в углах и впадинах не получается нанести порошковую краску из-за наличия завихрений.

Эффект Фарадея при окрашивании поверхностей

Для осаждения краски в углах, где возникает эффект Фарадея, необходимо обеспечить следующее:

  • хорошее заземление краскопульта, окрашиваемого изделия и самого работника;
  • достаточная по силе скорость распыления краски;
  • постоянный контроль электростатического поля.

Окрашенная поверхность изделия

Самостоятельное изготовление КФ

Рассмотрим ниже, как сделать клетку Фарадея своими руками. Небольшое устройство для хранения маленьких приборов, оборудования, гаджетов можно изготовить из двух основных компонентов: рулонной пищевой (лучше упрочнённой) фольги и фанерного ящика. Фольгой оклеить все поверхности ящика и крышки (снаружи и внутри). Наклеивание фольги довольно легко можно сделать при помощи обычного скотча.

Клетка Фарадея своими руками

Любые зазоры или разрывы при оклеивании исключаются. На дно ящика можно положить коврик из любого мягкого материала, ведь это позволит защитить хранимый инвентарь от возможных ударов при падении.

Подводя итоги

Клетка Фарадея очень полезное открытие, которое позволило защитить людей от различных электромагнитных полей (удар молнии, статическое электричество и др.) В нашей жизни данный эффект используется повсеместно, например, в самолетах, поездах, лифтах, бытовой технике. Сфера применения данного эффекта постоянно увеличивается. Ниже вы можете посмотреть видео, которое позволит ещё лучше понять, как работает это изобретение.

Видео по теме

Ссылка на основную публикацию