Клетка Фарадея: описание и принцип работы решетки

Вопросы и ответы

История открытия

В 1836 году Фарадей заметил, что избыточный заряд на заряженном проводнике локализован только снаружи и не оказывает влияния на предметы внутри. Чтобы продемонстрировать это, он оборудовал комнату, покрытую металлической пленкой, и приложил к ней высоковольтный заряд от электростатического генератора.

Чтобы доказать отсутствие электрических зарядов внутри помещения, Фарадей использовал электроскоп. Электроскоп внутри камеры или при подключении к внутренней поверхности фиксировал отсутствие заряда, а электроскоп, подключенный к внешней поверхности, расходил лопасти.

Маленьких животных помещали в клетку для демонстрации эффекта смещения поля. При подаче на него мощного электрического заряда от электростатического генератора заряд не причинял вреда животным, так как растекался по поверхности.

Хотя этот эффект был приписан знаменитому эксперименту Майкла Фарадея с чашкой Фарадея (или «ведерком со льдом») 1843 года, явление наблюдалось еще в 1755 году американским ученым Бенджамином Франклином. Эксперимент состоял в том, что Франклин опускал незаряженный пробковый шарик, подвешенный на шелковой нити, через отверстие в заряженный металлический ящик.

По его словам, пробка притягивалась не к внутренним стенкам коробки, а к внешним. Хотя пробка была утоплена на дно коробки, при извлечении ее из нее оказалось, что она не заряжена из-за контакта, который наблюдался, когда пробка касалась внешней стороны коробки. Этот эффект также был открыт задолго до Фарадея итальянским физиком Джованни Баттиста Беккариа.

Принцип действия

Принцип работы ячейки заключается в том, что внешнее электрическое поле приводит к перераспределению свободных электронов в проводящем материале ячейки таким образом, что противоположные стороны ячейки заряжаются.

Их поле компенсирует внешнее поле и внутри поля нет. Этот принцип лучше всего понять, если представить ячейку в виде идеального полого проводника. Перераспределение зарядов индуцирует в проводнике электрический ток, который прекращается при компенсации внешнего электрического поля.

Защитный эффект закрытых металлических оболочек был теоретически предсказан в 1813 году французским математиком и физиком Симеоном Дени Пуассоном. Позже, в 1828 году, английским математиком и физиком Джорджем Грином.

Предсказание исследователей основывалось на том, что внутри замкнутой металлической оболочки электрический потенциал постоянен, поэтому напряженность электрического поля равна нулю, что свидетельствует о ее экранирующих свойствах.

Клетка Фарадея не может защитить внутреннюю часть от постоянного или медленно меняющегося магнитного поля, такого как поле земного магнетизма (компас внутри клетки продолжает указывать на истинный север). Но так как переменное магнитное поле создается переменным электрическим полем, а переменное электрическое поле не проникает в клетку, то и переменное магнитное поле не проникает в нее.

Эффективность экранирования статического электрического поля зависит от формы проводящего материала. В случае изменяющегося электрического поля и при наличии сопровождающего меняющегося магнитного поля чем быстрее эти изменения (т е чем выше частота), тем лучше материал сопротивляется проникновению поля.

С другой стороны, с увеличением частоты поле лучше проникает через сетку с заданным размером ячейки. При этом экранирование зависит от электропроводности материала ячейки, а также от ее толщины.

Если внутрь незаземленной клетки поместить заряд, то ее внутренняя поверхность заряжается (аналогично описанному выше процессу с внешним зарядом). Клетка Фарадея в меньшей степени блокирует выходящие из нее электромагнитные волны, чем входящие, и поэтому следящее устройство, или «маяк», особенно работающее на высокой частоте, может «пробить» поверхность клетки и сработать изнутри.

Лифты и другие помещения с токопроводящими металлическими каркасами и стенами могут стать причиной потери сигнала и появления «мертвых зон» для пользователей мобильных телефонов, раций и других электронных устройств, принимающих внешние радиосигналы

Для экранирования излучения магнетрона, работающего внутри микроволн, с длиной волны ок. 12 см, корпус духовки выполнен из цельного металла (нержавеющая сталь). Прозрачное дверное окно представляет собой пакет из стеклянных или пластиковых листов 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 утечки излучения через зазор между дверью и камерой обеспечивается специальной конструкцией зазора с размерами, адаптированными к длине волны излучения.

Как обозначаются конденсаторы на схеме? Подробнее В чем разница между параллельным и последовательным соединением резисторов. Читать далее Масляные трансформаторы — какие они, устройство и принцип работы читать больше

Было бы ошибкой полагать, что клетка Фарадея обеспечивает полную блокировку радиосигнала или его подавление. Степень ослабления клеткой передаваемого или принимаемого радио- или телевизионного сигнала зависит от формы электромагнитной волны, ее частоты и расстояния до приемника/передатчика.

А также их чувствительность и излучаемая мощность. Клетка с прочным ограждением из стального листа обеспечивает лучшее подавление, чем клетка из сетки.

Описание конструкции

Это устройство получило свое название благодаря тому, что для первых опытов использовалась металлическая клетка, материал которой отличался высокой электропроводностью. Эта конфигурация сохранилась и по сей день.

Толщина используемого материала делает сепаратор настолько прочным и эффективным, насколько это необходимо в каждом отдельном случае. На эти показатели влияет соотношение между размером клетки и длиной волны внешнего поля.

Принцип работы устройства и его эффект достаточно прост. Когда клетка попадает под воздействие электрического поля, начинается движение свободных электронов внутри металлических структур. Они начинают собираться и образовывать определенную конфигурацию.

В противоположных стенках конструкции образуются противоположные заряды, под действием которых создается новое поле с направлением, противоположным внешнему полю.

Это новообразованное поле противодействует внешним электромагнитным полям и компенсирует их влияние. В результате внутри клетки отсутствуют электрические поля или шум. Клетка Фарадея иногда рассматривается чисто теоретически как накопитель энергии, так как электричество не задерживается в конструкции надолго.

В отличие от электрического поля, постоянное магнитное поле практически беспрепятственно проникает в клетку. Сюда же не может проникнуть и переменное магнитное поле, так как оно просто не может возникнуть из-за экранирования клеткой переменного электрического поля. Поэтому клетка Фарадея способна защитить от любого внешнего воздействия — электрического и электромагнитного.

Применение клетки Фарадея

Принцип действия клетки лежит в основе конструкции многих защитных устройств. Например, высокочастотные электромагнитные волны, в зависимости от размеров ячеек, частично отражаются от ячейки, а во многих случаях просто гасятся толщиной металла. Этот эффект вызывает индукцию вихревых токов, которые затем рассеиваются и выделяются в виде тепла.

Экранирующая функция ячейки зависит от толщины металла, глубины поверхностного слоя, размеров ячейки и ее отношения к внешней длине волны.

Различные кабели экранированы по принципу клетки Фарадея, а в конструкции использованы материалы с хорошей проводимостью. Для повышения эффективности таких систем размеры ячеек в них делают намного меньше длины волны, от которой защищает экран.

Принцип корзины широко используется в современных микроволновых печах. Дверцы микроволновых печей снабжены металлической сеткой из мелких ячеек, значительно меньших длины волны магнетрона. Практически все микроволновые печи работают на частоте 2450 МГц, а длина волны чуть больше 12 см.

Отсюда следует, что установленная на двери сетка легко экранирует внутреннее излучение и пропускает его наружу. Функции других сторон клетки в микроволновой печи выполняет металлическая камера, в которую помещается разогреваемая пища.

Для работы с высоковольтными кабелями разработаны различные виды защитных металлических костюмов, где также используется принцип клетки Фарадея. Материалом для них служат тонкие волокна из меди или нержавеющей стали. Эти костюмы обеспечивают надежную защиту, так как даже отключенная линия электропередачи, имеющая большую протяженность, способна накапливать статические заряды, опасные для жизни и здоровья человека.

Металлизированная ткань серебристого цвета эффективно нейтрализует вредное воздействие электромагнитных полей высоковольтных установок. Благодаря таким комплектам вокруг тела человека образуется замкнутое экранированное пространство, через которое не могут проникнуть никакие электрические поля.

Материалы, которые проводят электричество, используются для всей одежды. Они соединены каналами с повышенной проводимостью, а на клеммах установлены электропроводящие контакты. По такой защите токи благополучно стекают и уходят в землю.

Зачем нужна клетка Фарадея

Постоянное магнитное поле, в отличие от электрического, будет беспрепятственно проникать в клетку. Но поскольку переменное электрическое поле, порождающее переменное магнитное поле, экранируется клеткой, переменное магнитное поле не проникает в клетку, потому что просто не может возникнуть.

По этой причине клетка Фарадея защищает свое внутреннее пространство и находящиеся в нем предметы не только от электрического поля, но и от действия внешних электромагнитных волн.

Если учесть высокие частоты, то высокочастотные электромагнитные волны (по сравнению с размером ячейки сетки) будут частично отражаться от ячейки, а также просто затухать в толще металла, и наводить в нем вихревые токи, и, наконец, исчезают в виде тепла.

Однако эффективность экранирующей функции клетки Фарадея связана со следующими параметрами: глубиной поверхностного слоя (скин-слоя), толщиной металла в клетке и размером отверстия по отношению к длине волны излучения внешнее излучение, от которого требуется экранирование.

Так, для экранирования кабелей применяют клетки Фарадея с жилами из высокопроводящих материалов. Размер ячейки для эффективной работы клетки Фарадея обязательно должен быть намного меньше длины волны экранируемого излучения.

Каждый может столкнуться с своеобразной клеткой Фарадея в микроволновке. На дверце микроволновки есть металлическая сетка, ячейки которой довольно малы по сравнению с длиной волны, создаваемой магнетроном. Микроволновая печь работает на частоте 2450 МГц, а длина волны здесь чуть больше 12 см, очевидно сетка на микроволновке просто экранирует это излучение, не давая ему выйти наружу.

Роль остальной ячейки в микроволновой печи играет металлическая камера, в которой разогревается пища. Кстати, если положить мобильный телефон в микроволновую печь (выключенный!) он окажется вне зоны действия сети, так как волны мобильной связи GSM даже длиннее, чем волны, генерируемые микроволновой печью.

Представляют собой металлические костюмы, работающие по принципу индивидуальной клетки Фарадея, изготовленные из нержавеющей стали и медных волокон.

Такие костюмы используют монтажники высоковольтных линий, ведь даже отключенная линия протяженностью в несколько километров накапливает опасное количество статического заряда. Костюм защищает человека от поражения электрическим током.

Такие защитные комплекты на основе серебряного материала защищают электриков от вредного воздействия электромагнитного поля высоковольтных установок, где электрическая составляющая очень высока. По словам производителей, такие комплекты предназначены для защиты:

  • от действия электрического поля промышленной частоты;
  • от действия тока смещения, вызванного переменным электромагнитным полем;
  • от воздействия интенсивного электромагнитного излучения, возникающего при разряде между контактами разъединителей;
  • от разряда электрического тока при прикосновении к заземленным или изолированным предметам, частям оборудования, а также траве и мелкому кустарнику;
  • от электрического повреждения при воздействии наведенного напряжения или ступенчатого напряжения.

Комплекты создают замкнутое экранированное пространство вокруг тела человека в костюме, исключающее проникновение внутрь электрического поля. Все элементы в комплекте выполнены из электропроводящих материалов и соединены между собой высокопроводящими каналами и электропроводящими контактными проводами.

Благодаря таким костюмам шунтируется тело человека, обеспечивается безопасное протекание токов электростатического или емкостного характера.

Любители катушек Теслы также носят костюмы, напоминающие отдельные клетки Фарадея. Ток просто течет по поверхности костюма к токопроводящим частям с меньшим сопротивлением, не причиняя вреда человеку, участвующему в шоу.

Как видите, клетка Фарадея сегодня используется во многих местах. Высоковольтные электроустановки заключены в клетки Фарадея, клетки Фарадея используются на выставках, наконец, любое производство, связанное с опасным микроволновым и другим электромагнитным излучением, не может обходиться без целых цехов и помещений, заключенных в клетки Фарадея.

Изготовление клетки Фарадея своими руками

В быту изготовление самодельного МВ может понадобиться для «скрытия» гаджетов от воздействия различных волн, способных вызывать помехи в чувствительной электронной «начинке».

Примером такой конструкции является фанерный ящик, отделанный определенным образом. Так как фанера выступает в роли изолирующего слоя, она должна быть абсолютно чистой и сухой. Коробку можно собрать своими руками или взять готовую – самое главное, чтобы она собиралась без использования гвоздей и других металлических крепежей. Сборка осуществляется в несколько этапов:

  1. Пищевая пленка делится на отрезки, по размеру фанерных стенок или их заготовок.
  2. Поверхности будущего ящика снаружи отделаны фольгой. При этом блестящая сторона должна быть вывернута наружу.
  3. Стенки крепятся изнутри скотчем, а на дно коробки кладется пара ковриков для мыши.
  4. Тщательно проверяется, чтобы в закрытом положении крышки слой фольги образовывал сплошную оболочку, без малейших отверстий и разрывов.

Второй вариант предполагает, что основой клетки Фарадея своими руками является металлический бак (кастрюля, ящик, ящик и т д.), в котором сделан утеплитель 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

Нет единого мнения о необходимости заземления КФ. В обязательном порядке необходимо заземлять крупные конструкции и те, на которые может воздействовать особо мощный электрический разряд.

Заземление, конечно же, защищает от аварийных ситуаций, когда накопившийся сильный заряд может «прорваться» по воздуху и ударить по находящемуся рядом предмету или человеку.

Тестирование самодельной клетки Фарадея

Для проверки действия клетки Фарадея на практике удобнее всего использовать компактный радиоприемник на батарейках. Он должен быть включен на максимальную громкость и настроен на самый сильный доступный FM-канал. Если сота работает, радио в ней замолчит.

Если приемник хоть и небольшой, но слышный, то стопроцентного экранирования добиться не удалось, и надо искать дырки в токопроводящем слое.

Подходит для тестирования самодельных камер и мобильных телефонов. Когда вы будете внутри, он перестанет принимать сигналы от базовых станций, то есть при звонке вы услышите соответствующее сообщение от автоматического информатора мобильного оператора.

Может ли клетка иметь отверстия

Для расчета допустимых размеров ячеек необходимо уточнить параметры EMI. Для защиты от излучения мобильных передатчиков выясните соответствующий диапазон. Так, если рабочая частота 1880 МГц, длина волны будет примерно 15,9 см. Уменьшая это значение в 8-10 раз, достигается требуемый результат ≈2 см. На этом расстоянии размещают отдельные элементы решетчатой ​​конструкции.

Что делать с дверью

Канавки способны пропускать волны даже при минимальной ширине, которую рассчитывают по рассмотренному выше методу. Это означает, что соответствующие части дверных проемов должны быть закрыты мягкой сеткой из токопроводящего материала.

Читайте также: Коэффициент трансформации трансформатора: что это такое, как определить, формула

Что использовать из подручных средств

Для создания охранной зоны можно использовать сломанный холодильник или другой корпус бытовой техники, металлическое ведро или мусорное ведро. Текущая конструкция необходимых размеров собирается из фанерных листов. Обклейте внешние поверхности пищевой пленкой. Необходимо создать сплошной слой без трещин и других дефектов.

Нужно ли заземлять конструкцию

В профессиональных проектах стационарные системы защиты этой категории заземляются. Как правило, подобные растворы используются при изготовлении больших клеток своими руками. Крупные конструкции способны накапливать значительную разность потенциалов на противоположных стенах, поэтому применение таких мер обеспечит необходимый уровень безопасности.

Как проверить работу клетки Фарадея

Потратив некоторое время, я проверю реальные защитные свойства созданной конструкции. Самый простой способ — положить мобильный телефон внутрь клетки. Позвонив или отправив SMS-сообщение на соответствующий номер, проверяется отсутствие связи. Аналогичный эксперимент можно провести с помощью радиоприемника.

Сферы применения эффекта КФ

Открытый Фарадеем эффект имеет не только научное значение, но и достаточно широкое практическое применение. Самый простой пример клетки Фарадея можно встретить в быту, она присутствует практически на каждой кухне – это микроволновая печь.

Пять стенок кузова изготовлены из довольно толстых стальных листов, а между двумя слоями дверного стекла расположена металлическая прослойка с перфорацией для лучшей видимости.

РЧ-кабина

Радиочастотная кабина представляет собой изолированное от воздействия электрического, магнитного и радиоизлучения помещение, обычно небольшой площади. Стены, пол и потолок снабжены высокопроводящими сетками, образующими замкнутую, но невидимую клетку.

МРТ-помещения

Высокоточное оборудование, такое как медицинский томограф для магнитно-резонансной диагностики, требует тщательной защиты от внешних электромагнитных волн. Малейшее воздействие со стороны третьих лиц может повлиять на результат исследования, поэтому помещение, в котором находится аппарат МРТ, полностью экранировано.

Лаборатории

В лабораторных исследованиях для получения точных результатов важно не только использовать передовое оборудование, но и надежно защитить его от внешних факторов, таких как магнитные и электрические поля.

Следует понимать, что имеется в виду не только направленное излучение от конкретных источников, но и электромагнитные помехи, постоянно присутствующие в атмосфере, особенно в населенных пунктах и ​​в их окрестностях.

Защитные костюмы

Для людей, работающих в зонах с высокой вероятностью поражения электрическим током, разработаны специальные костюмы. Их верхний слой выполнен из металлического материала и отделен от корпуса изоляционным материалом.

В случае остаточного статического или электрического тока заряд стекает во внешнюю оболочку устройства. Защитная одежда незаменима при работе с высоковольтными кабелями. Даже без питания они сохраняют опасный уровень статического заряда из-за километров электропроводки.

В мире развлечений

Эффект CF, красочно отображаемый на сцене, очень эффектен. При этом часто используют не простую клетку, а внешне невесомую оболочку из грубой сетки или даже специально сконструированный костюм, напоминающий обычную одежду. В этом случае ток подается максимально эффективно, например с помощью катушек Тесла или подобных устройств, создающих заряд от электростатического генератора.

Как выглядит при окрашивании

Дефект клетки Фарадея назван в честь Майкла Фарадея. Это ученый, основоположник учения об электромагнитном поле. Он экспериментировал со статическим электричеством. На изделиях, имеющих этот дефект, имеется так называемая зона Фарадея.

В него входят углы и углубления, где не оседает порошковая краска. Это связано с тем, что в пределах этих зон сопротивление электрическим силам значительно больше, чем на остальной поверхности. Поэтому порошок собирается по краям, а внутри гораздо меньше.

Вихри могут образовываться и в самой зоне Фарадея. Это также может вызвать обратную ионизацию. Из-за эффекта клетки Фарадея при порошковой окраске одной из самых сложных задач является покрытие ямок.

Более длительное время распыления не решит проблему. Даже когда на краях образуется толстый слой покрытия и порошок уже не может там осаждаться, частицы все равно не попадают в углубления. И происходит обратная ионизация.

Единственное, что может помочь пороху осесть в полостях, это поле, создающее объемный заряд пороха, увлекаемого воздухом в полости. Итак, как покрасить угол порошковой краской? Во-первых, проверьте заземление изделия, оборудования и маляра. Вообще говоря, это должно быть ежедневной задачей маляра. Частицы порошка точно притягиваются к заземленной поверхности.

Должен быть хороший заряд пороха. Поток воздуха должен быть достаточным для переноса порошка в полость. Но он не должен быть очень большим, иначе будет мешать отложению частиц порошка. Необходимо контролировать электростатическое поле, чтобы оно не «выталкивало» порошок к краям клетки Фарадея. Следует снизить напряжение, попробовать уменьшить или увеличить расстояние от атомайзера до изделия.

Путем изучения порошковых покрытий, дефектов и анализа их возможных причин специалисты пришли к выводу, что в ряде случаев во избежание эффекта Фарадея необходимо использовать трибоэлектрическое оборудование. Он не создает ионного тока и сильного электрического заряда. Из-за этого порошок легко проникает в углубления и оседает в углах. Покрытие качественное, ровное, без дефектов.

Клетка Фарадея своими руками

Для хранения различных гаджетов и мелкой бытовой техники можно использовать такой предмет, как обычный фанерный ящик. Действуют следующим образом:

  • Фанера очищается от пыли и грязи;
  • Разрежьте рулон пищевой фольги на нужные сегменты;
  • Оберните всю внешнюю поверхность коробки и крышку фольгой матовой стороной внутрь;
  • Стыки утеплителя фиксируются скотчем;
  • Один или несколько ковриков для компьютерной мыши помещаются на дно коробки;
  • Убедитесь, что крышка плотно прилегает к коробке по всей окружности, избегайте отверстий и разрывов поверхности фольги.

Спросите у специалиста Можно ли использовать металлический контейнер для клетки Фарадея При использовании металлического контейнера необходимо позаботиться об изоляции внутренней поверхности клетки листами картона или фанеры. Вот что происходит, когда домовладельцы устраивают CF в одной из своих комнат. Самодельная клетка Фарадея.

Самый простой способ проверить клетку — поместить внутрь радиоприемник, настроенный на сильный FM-сигнал и включенный на полную громкость. В правильно сделанной клетке царит полная тишина. Если ресивер все равно будет работать даже очень тихо, то причину нужно искать в наличии отверстий в экранирующей поверхности конструкции.

Точно так же вы можете протестировать CF с помощью мобильного телефона. Оказавшись внутри камеры, мобильный телефон сразу будет вне досягаемости. Чтобы подтвердить это, просто позвоните по его номеру — телефон будет молчать.

Дополнительная информация. Необходимо помнить, что длина волны 1 ГГц составляет 30 см. При максимальной ширине сетки 3 х 3 см безопасность будет обеспечена. Поэтому в целях экономии вместо цельного материала используется сетка.

Клетка Фарадея — гениальное изобретение великого английского ученого того времени, актуальное и по сей день. С появлением на рынке новых материалов возможности изготовления КВ различных конструкций значительно расширяются.

Подводя итоги

Клетка Фарадея — очень полезное открытие, позволившее защитить людей от различных электромагнитных полей (молний, ​​статического электричества и т.д.) в нашей жизни этот эффект используется повсеместно, например, в самолетах, поездах, лифтах, бытовых Техника.

Степень этого эффекта постоянно увеличивается. Ниже вы можете посмотреть видео, позволяющее лучше понять, как работает это изобретение.

Оцените статью
Блог об электричестве
Adblock
detector