Клетка фарадея

Принцип действия

Клетка Фарадея (КФ) представляет собой защитное сооружение, ограждающие плоскости которого сделаны в виде решёток из металлических стержней высокой электропроводности с заземлением. Принцип работы установки довольно прост.

Когда электрическое поле «соприкасается» с поверхностью решётки, электроны металлических стержней начинают активное движение. Противоположные поверхности конструкции заряжаются таким образом, что вместе они противостоят проникновению внешних электрических полей.

Что касается магнитного поля, то по причине своего переменного свойства оно просто не успевает проникнуть сквозь металлическую сетку. Всё, что находится в клетке Фарадея, надёжно защищено от воздействия внешнего электрического поля и электромагнитных волн. Плоскости, ограждающие пространство из металлических сеток, называют экранами.

Самый простой пример, где используется эффект Фарадея, – это микроволновая печь. Атрибут кухонного оборудования можно встретить практически в каждом жилище. Передняя прозрачная панель покрыта металлизированной решёткой, остальной металлический корпус печи дополняет конструкцию КФ. Решётка экранирует, как исходящее излучение телефона, так и не пропускает внешние электромагнитные волны. В результате аппарат оказывается вне зоны действия связи.

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.

Что такое электромагнитное излучение и как оно влияет на человека

Как найти ноль и фазу индикаторной отверткой, мультиметром и без приборов?

Какой антенный кабель лучше использовать для телевизора — все критерии

Сила Лоренца и правило левой руки. Движение заряженных частиц в магнитном поле

Классификация и назначение основных и дополнительных средств защиты от поражения электрическим током

Что такое инфракрасный плёночный теплый пол?

Инженеры превратили бетон в клетку Фарадея

ABC Group

Инженеры из Университета Небраски-Линкольна разработали новый тип бетона, способный служить электромагнитным экраном по типу клетки Фарадея. Согласно сообщению университета, разработчики предлагают делать из нового бетона здания, внутри которых работают сложные и стратегически важные вычислительные системы, включая системы управления атомными электростанциями.

Сегодня несколько стран в мире занимаются разработкой мощного электромагнитного оружия, способного «выжигать» электронные системы противника. В частности, в 2012 году в США состоялись испытания импульсного электромагнитного оружия CHAMP, установленного на крылатую ракету. На испытаниях установка смогла обесточить целое здание и вывести из строя несколько десятков компьютеров в нем.

Защиту от воздействия электромагнитного излучения сегодня имеют только пункты управления стратегическим вооружением, станции контроля баллистических ракет, некоторые центры управления атомными электростанциями, а также стратегические бомбардировщики. В зданиях защита организуется как правило специальным армирующим слоем в бетоне, а также прокладкой металлической заземленной сетки.

Все современные методы основаны на принципе клетки Фарадея. Клетка Фарадея является замкнутой токопроводящей конструкцией. Если ее поместить в переменное электромагнитное поле, на противоположных сторонах клетки образуются заряды, собственное поле которых компенсирует внешнее. В результате внутрь клетки электромагнитное излучение не проникает.

Новый тип бетона, по мнению разработчиков, позволит относительно дешево строить защищенные от электромагнитного излучения здания. Кроме того, этот бетон можно наносить на уже имеющиеся здания, в результате чего они также становятся защищенными. По оценке инженеров, благодаря новому бетону защиту старых зданий можно будет организовать быстрее и дешевле существующих методов.

Состав нового бетона исследователи не раскрывают, ссылаясь на коммерческую тайну. Известно только, что он изготавливается из обычного бетона с добавлением магнетита, металлических опилок и углеродных частиц. Благодаря этим добавкам бетон способен проводить электрический ток. Испытания здания из этого бетона уже состоялись, и, по заявлению разработчиков, оно превзошло военные стандарты защищенности.

Новая разработка инженеров из Университета Небраски-Линкольна основана на другом их изобретении — проводящем электричество бетоне, который они представили в январе текущего года. Этот материал исследователи предложили использовать для строительства дорог и мостов, поскольку при пропускании через него электрического тока, бетон может нагреваться и растапливать лед и снег.

Проводящий электричество бетон на 20 процентов состоит из металлических опилок и углеродных частиц. Разработчики уже заключили коммерческое соглашение с американской строительной компанией ABC Group, которая получила право на возведение конструкций из токопроводящего и защищающего от электромагнитного излучения бетона.

Василий Сычёв

История

В 1836 году Майкл Фарадей заметил, что избыточный заряд заряженного проводника находится только на его внешней стороне и не влияет ни на что внутри него. Чтобы продемонстрировать этот факт, он построил комнату, покрытую металлической фольгой, и позволил разрядам высокого напряжения от электростатического генератора попасть за пределы комнаты. Он использовал электроскоп чтобы показать, что на внутренней стороне стен комнаты не было электрического заряда.

Хотя этот эффект клетки приписывают Знаменитые эксперименты Майкла Фарадея с ведром со льдом исполненный в 1843 г., был Бенджамин Франклин в 1755 году, который наблюдал эффект, опуская незаряженный пробковый шар, подвешенный на шелковой нити, через отверстие в электрически заряженной металлической банке. По его словам, «пробка не притягивалась к внутренней части банки, как это было бы с внешней стороны, и, хотя она касалась дна, но когда вытянута, она не была наэлектризована (заряжена) от этого прикосновения, как это было бы, прикоснувшись к внешней стороне. Факт необычный ». Франклин обнаружил поведение того, что мы теперь называем клеткой или щитом Фарадея (на основе более поздних экспериментов Фарадея, которые копировали пробку и банку Франклина).

Кроме того, в 1754 г. Аббат Нолле опубликовал ранний отчет об эффекте, приписываемом эффекту клетки в своем Leçons de Physique Expérimentale.

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.

Тестирование КФ

Самый простой способ проверить работоспособность клетки заключаются в том, что внутрь помещают радиоприёмник, настроенный на мощный FM-сигнал и включённый на полную громкость. В правильно сделанной клетке воцарится полная тишина. Если всё же приёмник будет работать даже очень тихо, нужно искать причину в наличии разрывов в экранированной поверхности конструкции.

Таким же способом можно тестировать КФ с помощью мобильного телефона. Попав в клетку, мобильник сразу же окажется вне зоны действия. Чтобы в этом убедиться, достаточно набрать его номер – телефон будет молчать.

Клетка Фарадея – это гениальное изобретение великого английского учёного того времени остаётся по-прежнему актуальным по сей день. С появлением на рынке новых материалов возможности по созданию КФ различной конструкции значительно расширяются.

Клетка Фарадея и измерение заряда

Нужно ли заземлять конструкцию?

До сих пор не единого мнения по поводу того, нужно ли заземлять клетку Фарадея или нет.

Но это зависит от многих факторов — размеров, где и для чего она будет использоваться и т. д. Но общие правила таковы: заземлять не нужно маленькие конструкции, а вот для больших это сделать необходимо.

В большой клетке может возникнуть электромагнитное излучение, которое может навредить человеку, если он случайно коснется работающего прибора. Тогда как в маленького размера клетке излучение небольшое.

Поэтому перед тем как продумывать конструкцию, внимательно изучите рекомендации по заземлению.

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.

Операция

Анимация, показывающая, как устроена клетка Фарадея (коробка) работает. Когда внешнее электрическое поле (стрелки) применяется, электроны (маленькие шарики) в металле перемещаются к левой стороне клетки, придавая ей отрицательный заряд, в то время как оставшийся несбалансированный заряд ядер дает положительный заряд правой стороне. Эти индуцированные заряды создают противоположное электрическое поле, которое нейтрализует внешнее электрическое поле по всей коробке.

Непрерывный

Сплошной экран Фарадея представляет собой полый проводник. Внешние или внутренние электромагнитные поля создают силы на носители заряда (обычно электроны) внутри проводника; начисления перераспределяются соответственно за счет электростатическая индукция. Перераспределенные заряды значительно снижают напряжение на поверхности в зависимости от емкости; однако полной отмены не происходит.[требуется дополнительная ссылка (и)]

Внутренние сборы

Если заряд помещается внутри незаземленного щита Фарадея, не касаясь стенок (обозначим это количество заряда как + Q), внутренняя поверхность экрана заряжается -Q, что приводит к силовым линиям, исходящим от заряда и распространяющимся на заряды внутри. внутренняя поверхность металла. Траектории силовых линий в этом внутреннем пространстве (до конечных отрицательных зарядов) зависят от формы внутренних защитных стенок. Одновременно + Q накапливается на внешней поверхности экрана. Распределение зарядов на внешней поверхности не зависит от положения внутреннего заряда внутри корпуса, а определяется формой внешней поверхности. Таким образом, для всех целей и задач щит Фарадея генерирует снаружи такое же статическое электрическое поле, которое он генерировал бы, если бы металл был просто заряжен + Q. Увидеть Эксперимент Фарадея с ведром со льдом, например, для получения более подробной информации о силовых линиях электрического поля и развязке снаружи от внутренней

Обратите внимание, что электромагнитные волны не являются статическими зарядами

Если клетка заземленный, избыточные заряды будут нейтрализованы, поскольку заземление создает уравнивание потенциалов между внешней стороной клетки и окружающей средой, поэтому между ними нет напряжения и, следовательно, поля. Внутренняя поверхность и внутренний заряд останутся прежними, поэтому поле останется внутри.

Внешние поля

Зависимость глубины скин-слоя от частоты для некоторых материалов при комнатной температуре, красная вертикальная линия обозначает частоту 50 Гц:

• Mn – Zn — магнитомягкий феррит
• Al — металлик алюминий
• Cu — металлик медь
• сталь 410 — магнитная нержавеющая сталь
• Fe – Si — текстурированная электротехническая сталь
• Fe – Ni — высокая проницаемость пермаллой (80% Ni – 20% Fe)

Эффективность экранирования статического электрического поля в значительной степени не зависит от геометрии проводящего материала; однако статические магнитные поля могут полностью проникнуть через экран.

В случае изменяющихся электромагнитных полей, чем быстрее происходят изменения (т.е. чем выше частоты), тем лучше материал сопротивляется проникновению магнитного поля. В этом случае экранирование также зависит от электрическая проводимостьмагнитные свойства проводящих материалов, используемых в клетках, а также их толщина.

Хорошее представление об эффективности щита Фарадея можно получить из соображений глубина кожи. С глубиной скин-фактора ток, протекающий в основном на поверхности, экспоненциально затухает с глубиной сквозь материал. Поскольку щит Фарадея имеет конечную толщину, это определяет, насколько хорошо он работает; более толстый экран может лучше ослаблять электромагнитные поля и уменьшать частоту.

Клетки Фарадея — это щиты Фарадея, в которых есть отверстия, поэтому их сложнее анализировать. В то время как непрерывные экраны по существу ослабляют все длины волн короче глубины скин-слоя, отверстия в клетке могут пропускать или формировать более короткие волны »мимолетные поля»(осциллирующие поля, которые не распространяются как электромагнитные волны) прямо под поверхностью. Чем короче длина волны, тем лучше она проходит через сетку заданного размера. Таким образом, чтобы хорошо работать на коротких длинах волн (т.е. высоких частотах), отверстия в клетка должна быть меньше длины волны падающей волны. Поэтому клетки Фарадея можно рассматривать как фильтры высоких частот.

Сетка (клетка Фарадея)

Этот принцип применяется для защиты зданий, в которых размещается компьютерное оборудование или оборудование для производства интегральных схем (микрочипов). Он заключается в разветвлении ряда вертикальных токоотводов снаружи здания. Горизонтальные связи (обвязки) добавляются в случае высотных зданий, например, через каждые два этажа (см. рис. J11).
Вертикальные токоотводы заземляются заземлителем типа “воронья лапка”. В результате получается сетка с ячейками 10 х 15 м или 10 х 10 м. Это позволяет обеспечить эквипотенциальное соединение конструктивных элементов здания и развести токи молнии, что значительно снижает электромагнитные поля и индукцию.

Рис. J11: Пример защиты по принципу сетки (клетки Фарадея)

Владелец коктейль-бара в Восточном Суссексе несколько лет наблюдал за тем, как его клиенты практически не общаются друг с другом, утыкаясь в дисплей телефона сразу по приходу в заведение. Даже дружные компании превращались в сборище одиночек после того, как из карманов и сумок доставались телефоны.

Стив Тайлер (Steve Tyler), так зовут владельца бара, решил вернуть старые добрые времена. Для этого он установил в стенах и потолке бара металлическую сеть, которая блокирует сигнал сотовой вышки, не давая ему пройти дальше. Сеть надежно блокировала сигнал сотовой сети, так что в баре пользоваться смартфоном или планшетом с 3G модулем стало бессмысленно. Ни поговорить, ни початиться нельзя. По мнению мистера Тайлера, этот шаг позволил посетителям его бара «стать частью реального мира» и вспомнить о других людях.
То, что установил владелец бара, называется клетка Фарадея . Это система, изобретённая английским физиком и химиком Майклом Фарадеем в 1836 году для экранирования аппаратуры от внешних электромагнитных полей. Обычно такая система представляет собой заземлённую клетку, выполненную из хорошо проводящего материала.

Защищает она лишь от электрического поля, статическое магнитное поле внутрь клетки проникает. 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.

Клетка, которую создал Тайлер, по его собственным словам не является идеальной. Она состоит из серебряной фольги и медной проволочной сети. И хотя надежность системы не 100%, посетители все же потеряли возможность общаться по телефонам. Вместо этого, как утверждает Тайлер, они начали разговаривать друг с другом.

Такой способ блокирования сигнала сотовых и беспроводных сетей Тайлер выбрал потому, что системы подавления сотовой связи, называемые обычно «глушилками» незаконны. Запрещены они не только в Великобритании, но и США. Не так давно Федеральная комиссия по связи (FCC) наказала жителя штата Флорида, США, который использовал мощную глушилку сотовой связи на дороге. Он прятал устройство под сиденьем своего автомобиля Toyota Highlander.

В этом же году 63-летнего жителя Чикаго осудили и приговорили к штрафу за использование такого устройства в поезде с 2014 года. Ловить его пришлось дольше, чем Хамфриса. А проблема заключалась в том, что владелец глушилки мог глушить не только бытовые разговоры людей, но и звонки в службу спасения и полицию. Подозреваемого обнаружили, когда он заглушил связь на телефоне находящегося рядом сотрудника полиции в штатском.

Можно было бы ожидать, что люди будут жаловаться на владельца бара, где заведомо нельзя использовать телефон. Но нет, единственная жалоба поступила от человека, который заметил, что его телефон работает. И его пересадили за другой столик, где сигнал полностью блокировался. По мнению Тайлера, установка клетки Фарадея не запрещена законом. Это пассивный, а не активный способ подавления сотового сигнала. Слова Тайлера подтверждает представитель компании Ofcom: «В отличие от глушителей, клетка Фарадея пассивна, хотя и влияет на прием сигнала».

«Мобильные телефоны стали частью нашей жизни, и если мы идем в бар, клуб или другое место, мы часто берем с собой сотовые. Но телефоны – асоциальный фактор», – говорит Стив Тайлер.

На столиках установлены ретро-телефоны, по которым клиенты могут сделать заказ или пообщаться с другими клиентами заведения.

В 1836 году легендарным английским учёным Фарадеем было изобретена установка для экранирования пространства от воздействия внешних электромагнитных полей. Изобретение получило название «Клетка или щит Фарадея». На английском языке это пишется как «FARADAY SHIELD».

Сферы применения эффекта КФ

Свойства экранизированного пространства с успехом используют в различных сферах человеческой деятельности. Это могут быть отдельные помещения, небольшие ёмкости и даже рабочая одежда.

РЧ-кабина

Радиочастотная кабина представляет собой экранированное помещение. Под покрытием стен, потолка и пола заложены решётки, сделанные из немагнитных металлов, имеющих высокую проводимость. Конструкции могут принимать различные объёмы и конфигурации – это РЧ-комнаты, кабинеты и боксы.

МРТ помещения

Таким образом, обустраивают кабинеты МРТ (помещения с аппаратурой для проведения магнитно-резонансной томографии). Клетка Фарадея обязательно должна иметь заземление.

Назначение ограждений помещения состоит в том, чтобы не пропускать внутрь электромагнитные помехи от внешних источников излучения. Этим добиваются высококачественных результатов магнитно-резонансной томографии без каких-либо искажений.

Для обеспечения полноценной работы в РЧ-кабине необходимо соблюдать следующие условия:

• должен быть правильно определен рабочий диапазон частот;
• материалы для экранов ограждающих конструкций, в том числе для РЧ-окон и дверей, должны отвечать техническим требованиям;
• узлы экранов и способы их соединения между собой, а также крепление их к стенам, полу и потолку, экранирование коммуникаций различного назначения должны быть выполнены строго в соответствии с проектной документацией;
• кабели должны быть установлены таких типов и размеров, какие указаны в проекте.

Важно! Проектирование кабины МРТ в каждом случае определяется сугубо индивидуальным подходом. Созданием и обустройством РЧ-кабин занимаются специализированные предприятия, имеющие соответствующий пакет разрешающих документов

Лаборатории

В научно-исследовательских учреждениях и в заводских условиях востребованы помещения, изолированные от воздействия внешних электромагнитных «шумов». Для организации таких лабораторий привлекаются специализированные фирмы, которые производят расчёты и устанавливают ограждения.

Защитные костюмы

Металлизированные костюмы являются индивидуальными КФ. Рабочая одежда изготавливается из нитей нержавеющей стали, серебра и меди. При временном отключении линии электропередачи длиною несколько километров в проводах остаётся большой статический заряд. Поэтому во время инспекции и при ремонте электропередающих средств работники одевают защитные костюмы.

Безопасная рабочая одежда предназначена для предотвращения воздействия:

• промышленного электрического поля;
• тока от переменных электромагнитных полей;
• активного электромагнитного потока во время развода контактов разъединителей;
• тока от прикосновения к заземлённым предметам, грунту, дереву или кустарнику;
• шагового напряжения.

В мире развлечений

Давно популярны аттракционы с демонстрацией электрических разрядов, центром которых является клетка Фарадея. Эффектно смотрятся ветвистые потоки молний вокруг человека, не причиняя ему никакого вреда.

Обратите внимание! Несмотря на бытующее мнение о том, что боязнь людей электромагнитного излучения надумана, проблема проживания вблизи мощных ЛЭП довольно актуальна. Можно встретить частные постройки, полностью изолированные от влияния внешних негативных излучений. До сих пор до конца не изучена степень опасности воздействия электромагнитных волн на человека

До сих пор до конца не изучена степень опасности воздействия электромагнитных волн на человека.

Видеоинструкция ШТ 1. Защищаем комнату от элетромагнитного излучения