Клетка фарадея что это кратко

Обновлено: 19.05.2024

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.

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.

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.

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.

Что такое клетка Фарадея

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.

Электроскоп — прибор для обнаружения электрических зарядов, основанный на взаимодействии зарядов. При наличий зарядов вследствие их взаимодействия подвижная система электроскопа (листочки, стрелка) отклоняется от положения равновесия, и но величине отклонения можно приблизительно судить о величине зарядов.

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.

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.

Другие примеры клеток Фарадея из реальной жизни:

Машины и самолеты. Оба эти вида транспорта представляют собой гигантские металлические клетки. Благодаря металлическому корпусу автомобили и самолеты защищены от ударов молнии. Если вы когда-нибудь застрянете в машине во время грозы или ваш самолет пролетает через грозу, вам не нужно беспокоиться о том, что молния навредит вам.

Кабинеты МРТ. Аппараты магнитно-резонансной томографии используют сильные магнитные поля и радиоволны для создания изображений тела. Помещения вокруг машин МРТ созданы как клетки Фарадея, чтобы внешние источники радиочастот не мешали визуализации, а также предотвращали выход избыточного количества излучения из комнаты МРТ.

Военные и правительственные здания. Военные комнаты, операционные центры, центры обработки данных, конференц-офисы, а также комнаты промышленного шпионажа, безопасности и разведки часто состоят из клеток Фарадея. Это сделано для защиты комнаты и ее конфиденциальной или очень ценной информации внутри от взлома, подслушивания или даже кибервойны и атак с помощью ЭМИ (электромагнитного импульса). Однако те, кто работает в клетках Фарадея с электронным оборудованием, часто подвергаются гораздо более высокому риску воздействия электромагнитного поля, поскольку излучения остаются внутри здания.

Примером современной клетки Фарадея является сумка ConcealShield® Privacy Pouch, которая полностью закрывает устройство, чтобы блокировать все излучения и все беспроводные сигналы на вход и выход. Это сумка предотвращают кражу личных данных и отслеживание мобильного устройства.

Существуют специальные 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.

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.

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.

Клетка Фарадея - основная информация

Поскольку электрический потенциал на поверхности проводника должен быть везде одинаковым, в случае появления воздействующего на него внешнего поля заряды на объекте перемещаются таким образом, чтобы уравновесить их (в противоположном направлении).

Клетка, которую построил Фарадей, представляла собой комнату, покрытую металлической фольгой, которую ученый наэлектризовал. Внутри был помещен электроскоп, измерения которого показали или фактически не показали никаких зарядов. Эксперимент с клеткой Фарадея, иногда также известный как банка, коробка или сетка (объект не обязательно должен иметь твердые стены) Фарадея, до сих пор остается одним из самых популярных экспериментов в преподавании физики.

Как построить клетку Фарадея?

Самостоятельно сделать клетку Фарадея очень легко. Самым примитивным её видом будет обычная алюминиевая фольга, в которую мы можем завернуть телефон и полностью отрезать его от сети. Также для этой цели можно использовать металлические ящики, посуду или урны. Любой металлический предмет такого типа будет полноценной клеткой Фарадея.

Однако наиболее зрелищный и познавательный эффект дает игра со специальными воспитательными клетками. На научных выставках чаще всего используются изделия из металлической сетки. Некоторые из них настолько большие, что участники шоу могут зайти внутрь и посмотреть, как он работает на своих устройствах. Также они часто снабжены специальными лентами, которые снаружи клетки отталкиваются накопившимися зарядами, а внутри не реагируют.

Клетки Фарадея на практике

Наиболее часто приводимые примеры того, как принцип клетки Фарадея применяется на практике, - это автомобиль и самолет. Однако, хотя описанное выше явление в некоторой степени действительно имеет место в их случае, но ни один из экранов не является достаточно хорошим экраном, чтобы полностью заслужить это звание. Раньше никто из разработчиков автомобилей не думал, что это должна быть коробка Фарадея для защиты от ударов молнии, только было бы хорошо, если бы дождь не падал нам на голову .

Истинные клетки Фарадея используются, например, в больницах, где они изолируют системы устройств, используемых для выполнения магнитного резонанса, от воздействия внешних электромагнитных факторов. По той же причине в некоторых лабораториях можно найти банки.

Они также могут быть полезны, если вы серьезный политик или разведчик. В службах каждой страны есть специально подготовленные помещения, перекрывающие доступ к любым беспроводным сетям для находящихся в них собеседников. Помещения такого типа имеют и некоторые компании, чувствительные к безопасности. Еще я слышал о ресторане, хозяин которого раздраженный постоянными разговорами клиентов по мобильным телефонам, избавился так от проблем, не знаю только вместе с клиентами или без.

Вы также можете найти маленькие клетки Фарадея в некоторых . кошельках. Они предназначены для защиты бесконтактных карт, оснащенных модулем RFID. Однако нельзя отрицать, что самый популярный объектом, который является клеткой Фарадея в настоящее время, по крайней мере в средствах массовой информации, - это шапка из фольги.

Стоит ли иметь собственную клетку Фарадея?

Если в вашем автомобиле есть система доступа без ключа, она того стоит. Если вы оставите незащищенный ключ или карту слишком близко к стене вашего дома, воры могут использовать специальное устройство, чтобы усилить сигнал вызова из машины и взять ответ с ключа. В результате они легко угонят вашу машину в синюю даль.

Вы также можете подумать о покупке специального футляра, который подавит сигнал, когда вы находитесь вдали от дома.Тогда пользоваться системой будет менее удобно, когда вы захотите использовать автомобиль, вам придется каждый раз тянуться к ней. Ну что-то за что-то .

Вышеупомянутые кошельки и футляры, защищающие карты и RFID-документы, могут быть рассмотрены, если вы опасаетесь, что кто-то прочитает ваши личные данные с них. Вы вряд ли потеряете деньги, воры могут украсть только небольшие суммы (без ПИН-кода) с помощью такой атаки и только один раз, поэтому. они просто этого не делают.

Подписывайтесь, чтобы оставаться в курсе событий мира технологий и инноваций. Будем рады Вас видеть в наших рядах!

Физика в школе обычно не входит в число предметов, которые нравятся ученикам, потому что требует запоминания сложных закономерностей, процессов и вычислений. Неудивительно, что после школы о ней почти никто не помнит и большая часть знаний быстро забывается. Так почему же клетка Фарадея настолько популярна и часто упоминается в сети?

Что такое клетка Фарадея?

Клетка Фарадея представляла собой комнату, покрытую металлической фольгой, которую ученый предварительно наэлектризовал. Внутри был установлен электроскоп, измерения которого показали или, вернее, не показали наличие какого-либо заряда. Эксперимент Фарадея до сих пор является самым популярным в физике.

Как построить клетку Фарадея?

Клетку Фарадея очень легко сделать самостоятельно. Ее самой примитивной формой является простая алюминиевая фольга, в которую можно обернуть телефон и, тем самым, полностью отрезать его от сети. Также для этой цели можно использовать металлические ящики, посуду или урны. По сути, любой металлический предмет будет полноценной клеткой Фарадея.

Однако наиболее зрелищное и познавательное действие клетки можно увидеть на научных выставках. Некоторые из них настолько большие, что участники эксперимента могут войти внутрь и понаблюдать за эффектом на своих собственных устройствах.

Клетка Фарадея на практике

Настоящие клетки Фарадея используются в больницах — они изолируют оборудование, предназначенное для выполнения магнитно-резонансной томографии, от воздействия внешних электромагнитных факторов. По той же причине эти устройства используются и в некоторых лабораториях.

Клетки Фарадея также применяются политиками и военными. В службах каждой страны есть специально подготовленные помещения, перекрывающие доступ к любым беспроводным сетям. Маленькие клетки Фарадея можно найти даже в кошельках.

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.

'> Воспроизвести медиафайл

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.

Читайте также: