Электричество является жизненной силой многих аспектов нашего мира. Без вольт и ампер многие из наших технологических инноваций прекратили бы свое существование. Даже наши тела не могли бы функционировать без электрического заряда, пронизывающего наши клетки. Но то, что дает электричество, электричество может и забрать.
Хотя эта форма энергии жизненно важна для большей части нашей жизни, это одна из тех вещей, которые хороши только в правильных количествах. Слишком много электричества может убить человека электрическим током. Точно так же он может убить нашу современную электронику и машины.
Но благодаря Майклу Фарадею, блестящему ученому 19-го века, и одному из его одноименных изобретений,клетки Фарадея, мы, люди, разработали множество способов управления электричеством и сделать его более безопасным для наших компьютеров, автомобилей и других изобретений - и для нас тоже.
Клетки Фарадея защищают свое содержимое от электромагнитного излучения. По сути, когда электромагнитное поле сталкивается с чем-то, что может проводить электричество, заряды остаются снаружи проводника, а не перемещаются внутри. Клетки Фарадея часто выглядят отчетливо, ну, как клетки. Некоторые из них столь же просты, как сетчатые заборы или ведра для льда. Другие используют мелкую металлическую сетку.
Электромагнитное излучение окружает нас повсюду. Это в видимом и ультрафиолетовом свете, в микроволнах, которые готовят нашу пищу, и даже в радиоволнах FM и AM, которые передают музыку через наши радиоприемники. Но иногда это излучение нежелательно и совершенно разрушительно. Вот где на помощь приходят клетки Фарадея.
Поскольку клетка Фарадея распределяет этот заряд или излучение по внешней стороне клетки, она уравновешивает электрические заряды или излучение внутри клетки. Короче говоря, клетка Фарадея представляет собой полый проводник, в котором заряд остается на внешней поверхности клетки.
Эта базовая функция имеет множество увлекательных применений в нашем электрически загроможденном и перенасыщенном технологиями мире. И хотя Фарадей в конце концов настал свой день, фон для его изобретения на самом деле уходит своими корнями в более ранние времена. Итак, откуда взялась идея этих сверхполезных клеток?
Бенджамин Франклин и Майкл Фарадей
Хотя клетка Фарадея названа в честь Майкла Фарадея, именно Бенджамин Франклин вдохновил многие идеи, лежащие в основе клеток Фарадея. Франклин, конечно же, провел часть своей блестящей карьеры, запуская воздушных змеев в грозу, пытаясь привлечь молнию, и, таким образом, уже был немного знаком с капризами и концепциями электричества.
В 1755 году Франклин начал играть с электричеством по-новому. Он наэлектризовал серебряную банку из-под пинты и опустил в нее незаряженный пробковый шарик, прикрепленный к непроводящей шелковой нити, пока пробка не коснулась дна банки.«Пробка не притягивалась внутрь банки, как это было бы снаружи, и, хотя она касалась дна, все же, когда ее вынимали, не было обнаружено, что она наэлектризовалась от этого прикосновения, как это могло бы быть. прикоснувшись снаружи. Факт исключительный», - написал Франклин в письме коллеге.
Он был озадачен взаимодействием электричества и заряженных и незаряженных объектов и признал это: «Вам нужна причина; я ее не знаю. чтобы сообщить мне об этом."
Десятилетия спустя английский физик и химик по имени Майкл Фарадей сделал другие важные наблюдения, а именно, он понял, что электрический проводник (например, металлическая клетка), будучи заряженным, проявляет этот заряд только на своей поверхности. Это не повлияло на внутреннюю часть проводника.
Фарадей подтвердил это наблюдение, покрыв комнату металлической фольгой, а затем зарядив фольгу с помощью электростатического генератора. Он поместил в комнатуэлектроскоп (устройство, обнаруживающее электрические заряды), и, как он и ожидал, прицел показал, что в комнате нет заряда. Заряд просто двигался по поверхности фольги и совершенно не проникал в помещение.
Фарадей исследовал это явление в своем знаменитом эксперименте с ледяным ведром. В этом тесте он в основном повторил идею Франклина, опустив заряженный латунный шар в металлическую чашку. Как и ожидалось, его результаты оказались такими же, как у Франклина.
У этой концепции есть множество замечательных применений, но вот одно из них актуально для всех, кто когда-либо был в самолете. Представьте, что вы летите на самолете, в который внезапно ударила молния. Это не редкое явление - это происходит регулярно, но самолет и его пассажиры не страдают. Это потому, что алюминиевый корпус самолета создает клетку Фарадея. Заряд от молнии безвредно проходит по поверхности самолета, не повреждая оборудование и людей внутри.
На самом деле это не шокирует. Это просто наука. Итак, как на самом деле работает этот умный дизайн клетки?
Что делает клетка Фарадея?
Чтобы понять, как работают клетки Фарадея, вам необходимо иметь общее представление о том, как электричество действует в проводниках. Процесс прост: металлические предметы, такие как алюминиевая сетка, являются проводниками и содержатэлектроны (отрицательно заряженные частицы), которые перемещаются в них. Когда электрический заряд отсутствует, в проводнике имеется примерно одинаковое количество смешанных положительных и отрицательных частиц.
Если к проводнику приближается внешний объект с электрическим зарядом, положительные и отрицательные частицы разделяются. Электроны с зарядом, противоположным внешнему заряду, притягиваются к этому внешнему объекту. Электроны с тем же зарядом, что и у внешнего объекта, отталкиваются и удаляются от этого объекта. Это перераспределение зарядов называетсяэлектростатическая индукция
При наличии внешнего заряженного объекта положительные и отрицательные частицы оказываются на противоположных сторонах проводника. В результате возникает противоположное электрическое поле, которое компенсирует поле заряда внешнего объекта внутри металлического проводника. Таким образом, суммарный электрический заряд внутри алюминиевой сетки равен нулю.
И вот настоящая фишка: хотя внутри проводника нет заряда, противодействующее электрическое поле имеет важное значение - оно защищает внутреннюю часть от внешних статических электрических зарядов, а также от электромагнитного излучения, такого как радиоволны и микроволны. В этом истинная ценность клеток Фарадея.
Эффективность этой защиты зависит от конструкции клетки. Различия в проводимости различных металлов, таких как медь или алюминий, влияют на работу клетки. Размер отверстий в сетке или сетке также меняет возможности клетки и может регулироваться в зависимости от частоты и длины волны электромагнитного излучения, которое вы хотите исключить из внутренней части клетки.
Клетки Фарадея иногда носят другие названия. Их можно назватьщиты Фарадея,РЧ(радиочастота)клетки, илиЭДС(электродвижущая сила)клетки.
Независимо от того, как вы их называете, клетки Фарадея чаще всего используются в научных лабораториях, либо в экспериментах, либо при разработке продуктов.
Не то, что Майкл имел в виду
Когда Фарадей построил свою первую клетку, у него, вероятно, не было воровства в мозгу. Но полицейские часто ловят магазинных воришек, обматывающих пакеты алюминиевой фольгой, которая препятствует воровству RFID-меток, прикрепляемых к дорогим товарам в розничных магазинах.
Современное использование клеток Фарадея
Люди используют клетки Фарадея для самых разных целей - иногда в эзотерических лабораториях, иногда в обычных продуктах. Ваш автомобиль, например, работает как клетка Фарадея. Именно этот эффект, а не резиновые шины, защищает вас в случае удара молнии поблизости.
Многие здания тоже действуют как клетки Фарадея, хотя бы случайно. С их оштукатуренными или бетонными стенами, усыпанными металлической арматурой или проволочной сеткой, они часто наносят ущерб беспроводным интернет-сетям и сигналам мобильных телефонов.
Но чаще всего экранирующий эффект приносит пользу человечеству. Микроволновые печи меняют эффект, улавливая волны внутри клетки и быстро готовя пищу. Экранированные телевизионные кабели помогают поддерживать четкое и чистое изображение за счет уменьшения помех.
Лайнеры электроэнергетики часто носят специально сшитые костюмы, в которых используется концепция клетки Фарадея. В этих костюмах обходчики могут работать на высоковольтных линиях электропередач с гораздо меньшим риском поражения электрическим током.
Правительства могут защитить жизненно важное телекоммуникационное оборудование от ударов молнии и других электромагнитных помех, построив вокруг них клетки Фарадея. В научных лабораториях университетов и корпораций используются усовершенствованные клетки Фарадея, которые полностью исключают все внешние электрические заряды и электромагнитное излучение, создавая абсолютно нейтральную среду тестирования для всевозможных экспериментов и разработки продуктов.
Сделай свою клетку Фарадея
Вам не нужно тратить миллионы или иметь степень по физике, чтобы сделать свою собственную клетку Фарадея. В Интернете вы можете найти инструкции по сборке простой клетки из обычных предметов домашнего обихода, таких как фольга и полиэтиленовая пленка.
Современные клетки
Пройдите мимо больницы, и вы найдете клетки Фарадея в виде кабинетов МРТ (магнитно-резонансного сканирования). Сканирование МРТ основано на мощных магнитных полях для создания полезных с медицинской точки зрения изображений человеческого тела. Кабинет МРТ должен быть экранирован, чтобы паразитные электромагнитные поля не влияли на диагностические изображения пациента.
Клетки Фарадея также могут использоваться в политических и военных целях. Политики могут обсуждать деликатные вопросы только в экранированных комнатах, которые могут блокировать технологии подслушивания. Все современные вооруженные силы зависят от электроники для систем связи и вооружения, но есть одна загвоздка - эти системы уязвимы для агрессивныхЭМИ(электромагнитных импульсов), которые могут быть результатом солнечной бури или даже техногенных ЭМИ-атак. Для защиты критически важных систем военные иногда используют экранированные бункеры и транспортные средства.
Именно по этой же причине клетки Фарадея являются любимым предметом в субкультуре выживших. Эти люди, которые проповедуют самодостаточность и недоверие к действиям правительства перед лицом техногенных или природных катастроф, верят в защиту всей важной электроники с помощью самодельных клеток Фарадея. В случае апокалиптического катаклизма у них все еще будут свои коротковолновые радиоприемники и другие высокотехнологичные инструменты, которые могут спасти жизнь.
Даже если вы не особенно озабочены сценариями конца света, клетки Фарадея, вероятно, играют роль в вашей жизни каждый день. Эти клетки используют базовый принцип физики и помогают людям по всей планете применять эти принципы для обеспечения безопасности, роскоши, удобства и дальнейшего развития технологий.
Часто задаваемые вопросы о клетке Фарадея
Что такое клетка Фарадея и как она работает?
Клетка Фарадея представляет собой контейнер или экран из проводящего материала, который блокирует электромагнитное излучение снаружи клетки, защищая все, что находится внутри, от любого статического или нестатического заряда или излучения.
Что может проникнуть в клетку Фарадея?
Клетка Фарадея в значительной степени защищает внутреннюю часть от внешнего заряда или электромагнитного излучения, особенно если проводник достаточно толстый. Однако клетки Фарадея не могут блокировать стабильные или медленно меняющиеся магнитные поля. Например, магнитное поле Земли может проникнуть сквозь клетку Фарадея, поэтому компас все равно будет работать.
Являются ли клетки Фарадея законными?
В то время как электрические глушители запрещены законом, клетки Фарадея полностью легальны. Фактически, они обычно используются на электростанциях или в других сильно заряженных средах, самолетах, микроволновых печах и зданиях.
Можно ли использовать алюминиевую фольгу в качестве клетки Фарадея?
Алюминиевая фольга может использоваться в качестве клетки Фарадея, если в ней нет разрывов и изолирующий слой между ее поверхностью и любым предметом внутри, который должен быть защищен.
Можно купить клетку Фарадея?
Вы можете купить клетки Фарадея для различных целей. Вы можете найти их разных размеров: от маленьких сумок, в которые поместится смартфон, до большой палатки Фарадея, в которой можно припарковать машину.