Общ

Как работи клетката на Фарадей


Има голям шанс да сте прекарали значителна част от времето си в клетка на Фарадей в даден момент от живота си. Може дори да имате такъв в кухнята си. Изненадан?

Измислени за първи път през 1836 г. от почитания английски учен Майкъл Фарадей, те са станали повсеместни в съвременния ни технологичен свят. От това да сте сигурни във въздуха и да пазите държавна тайна, те са прости, но много мощни инструменти.

В следващата статия ще разгледаме набързо точно какви са те и ще разгледаме как всъщност работят.

Какво е клетка на Фарадей?

Клетка на Фарадей, понякога известна като Фарадеев щит, е заграждение, което се използва за предпазване на нещата от електромагнитни полета (както статични, така и нестатични).

Статичното електричество е там, където зарядите са в покой, откъдето идва и името. Те всъщност се натрупват на повърхността на определен изолатор.

Нестатичното или текущото електричество е мястото, където електроните се движат в рамките на проводник. Клетките на Фарадей са в състояние да защитят съдържанието си или всъщност обитателите им от усещане за ефектите и на двете.

Те могат да бъдат направени от непрекъснато покритие от проводящ материал или от фина мрежа от проводящ материал.

Клетките на Фарадей са кръстени на техния изобретател, английския учен Майкъл Фарадей. Той ги е измислил през 1836г.

Те варират по дизайн и размери - от прости огради до вериги до деликатно изглеждащи фини метални мрежи.

Независимо от точния им външен вид, всички клетки на Фарадей приемат електростатични заряди или дори някои видове електромагнитни лъчения и ги разпределят по външната страна на клетката.

Кога е изобретена клетката на Фарадей?

През 1800 г. Майкъл Фарадей влага своя значителен интелект в разследването на електричеството. Скоро той осъзна, че електрически проводник (като метална клетка) при зареждане изглежда, че показва този заряд само на повърхността си.

Изглежда, че изобщо не оказва влияние върху вътрешността на проводника.

Той се зае да демонстрира това в по-голям мащаб и през 1836 г. измисли амбициозен експеримент.

По време на легендарния вече експеримент Майкъл Фарадей облицова стая с метално фолио. След това разреши разряди с високо напрежение от електростатичен генератор да ударят външната част на стаята.

След това той използва специално устройство, наречено електроскоп (устройство, което открива електрически заряди), за да докаже окончателно своята хипотеза, тъй като той е подозирал, че стаята е напълно лишена от електрически заряд.

Той също така потвърди, че само външната повърхност на металното фолио излъчва някакъв ток.

По-късно Фарадей потвърждава своите наблюдения с друг известен експеримент - експеримента си с ледена кофа. По време на този експеримент той дублира по-ранен експеримент на Бенджамин Франклин.

Майкъл спусна заредена месингова топка в метална чаша. Както се очакваше, експериментът потвърди по-ранните наблюдения на Франклин и неговите собствени.

Бенджамин Франклин също заслужава известна заслуга

Въпреки че днес този вид апарати носят името на Майкъл Фарадей, Бенджамин Франклин трябва да бъде признат за приноса си почти 90 години преди това.

През 1755 г. г-н Франклин наблюдава подобно явление. Той спусна незаредена коркова топка върху копринена нишка през отвор в електрически заредена метална кутия.

Той отбеляза, че „тапата не е била привлечена от вътрешната страна на консервната кутия, както би била отвън, и макар че е докосвала дъното, но при изтеглянето не е установено, че е електрифицирана (заредена) от това докосване, тъй като би било чрез докосване отвън. Фактът е единствен. "

Той също така успя да покаже, че коркът е повлиян от електростатичния заряд на кутията, като я закачи близо до външната страна на кутията. Корковата топка веднага беше изтеглена към повърхността на кутията.

Това, както бихте могли да очаквате, озадачи Франклин по това време. Дори в писмо признал объркването си пред колега.

"Искате причината; аз не я знам. Може би можете да я откриете и тогава ще бъдете толкова добри, че да ми я съобщите."

Докато открива ефекта години преди Фарадей, Франклин никога няма да развие напълно причина за своите любопитни наблюдения. Това ще бъде оставено на великия Майкъл Фарадей десетилетия по-късно.

Как работят клетките на Фарадей?

Казано по-просто, клетките на Фарадей разпределят електростатичния заряд около тяхната външност. Следователно те действат като щит за всичко в себе си.

В това отношение те са форма на кухи проводници, при които електромагнитният заряд остава само на външната повърхност на клетката.

Но в действителност, както много неща, това е малко по-сложно от това.

Освен ако не сте запознати с понятието електричество и проводници, може да искате първо да се справите с това, преди да продължите напред. Това видео предлага страхотно малко освежаване по темата.

По същество проводниците имат резервоар от свободно движещи се електрони, които им позволяват да провеждат електричество. Когато няма електрически заряд, проводникът има горе-долу еднакъв брой смесващи положителни и отрицателни частици в него.

Ако външен електрически зареден обект се приближи до клетката, положителните (ядра) и свободните отрицателни (електронни) частици в проводника внезапно се разделят.

Ако приближаващият се обект е положително зареден, към него се роят свободно движещи се електрони.

Това оставя останалата част от материала на клетката относително лишена от отрицателно заредени електрони, което му дава положителен заряд. Ако приближаващият се обект е отрицателно зареден, се получава обратното и електроните се отблъскват, но нетният ефект е същият, точно в обратен ред.

Този процес се нарича електростатична индукция и той създава противоположно електрическо поле на това на външния обект.

Този процес ефективно отменя външното електрическо поле в цялата клетка. Именно този феномен изолира вътрешността на клетката от външното електрическо поле.

За какво се използват клетките на Фарадей?

Както можете да си представите, тези клетки са доста удобни в различни приложения. Вероятно наистина сте били в такава съвсем наскоро.

Най-известните примери са автомобили и самолети. Както фюзелажите на самолета, така и на автомобила действат като клетки на Фарадей за своите обитатели.

Макар и по-малко проблем за автомобилите, стачките във въздушното осветление са доста често явление. Благодарение на алуминиевата външност на самолетите, когато това се случи, както деликатната авионика, така и безценните пътници остават напълно невредими.

Невероятно подходящо, стаите за ядрено-магнитен резонанс ефективно имитират известния експеримент на Фарадей от 1836 година. Те трябва да бъдат изградени по този начин, за да се предотврати добавянето на външни радиочестотни сигнали към данните от ЯМР машината.

Ако им бъде позволено да проникнат в стаята, това може сериозно да повлияе на получените изображения. Въпреки това операторите обикновено са обучени да откриват RF смущения в малко вероятния случай, че клетката на Фарадей е повредена.

Микровълновите фурни са друг забележителен пример за ежедневното използване на клетките на Фарадей. Въпреки това, за разлика от други приложения, те са проектирани да работят в обратна посока и да поддържат микровълновото лъчение във фурната.

Всъщност можете да видите част от клетката на прозрачния прозорец на микровълновата фурна.

Много сгради също са случайни клетки на Фарадей, както се оказва. Голямото използване на метална арматура или телени мрежи може да предизвика хаос с безжични интернет мрежи и сигнали за мобилни телефони.

Друго интересно приложение на клетките на Фарадей се използва от военните и други организации. Клетките на Фарадей често се използват за защита на жизненоважни ИТ и други електрически съоръжения от EMP атаки и мълнии.

Те се използват широко и в ситуации, при които подслушвателните устройства трябва да бъдат блокирани. Политиците и други срещи на високо ниво често избират да обсъждат чувствителни въпроси в специални екранирани помещения за дизайн на клетката на Фарадей.

Ефективни ли са клетките на Фарадей на 100%?

Ефективността на клетката на Фарадей се определя от дизайна на клетките, размера и избора на строителни материали. Ако са от мрежеста конструкция, те ще защитят вътрешността си, ако проводникът е достатъчно дебел и дупките в мрежата са по-малки от дължината на вълната на въпросното лъчение.

И все пак колкото и да са невероятни клетките и щитовете на Фарадей, те далеч не са перфектни. Като цяло те не осигуряват 100% изолация от електромагнитни вълни.

Докато по-дългите дължини на вълните, като радиовълните, са силно затихнати или блокирани от клетката, честотните предавания с висока мощност в близост до полето като HF RFID обикновено могат да проникнат през екрана.

Като се има предвид това, твърдите конструкции на клетката, за разлика от мрежестите форми, са склонни да осигуряват по-добро ниво на екраниране в по-широк диапазон от честоти.

Микровълновите фурни са отличен пример за факта, че клетките на Фарадей не са 100% ефективни като ЕМ екрани. Повечето не блокират изтичането на цялото микровълново лъчение от устройството.

Но това всъщност не е нещо, от което да се притеснявате. Радиацията не само не йонизира, но и микровълновите печки се подлагат на обстойни тестове, преди да бъдат пуснати за обща продажба.

FDA, например, позволява малко количество течове от микровълнови фурни. Понастоящем това е настроено на 5 mW / cm2.


Гледай видеото: Клетка это чего нужен конденсатор с тремя выводами (Юли 2021).