Как работает клетка Фарадея
Электричество — это жизненная сила многих аспектов нашего мира. Без вольт и ампер многие из наших технологических инноваций перестали бы существовать. Даже наши тела не могли бы функционировать без электрического заряда, проносящегося через наши клетки. Но то, что дает электричество, оно может и отнять. Хотя эта форма энергии жизненно важна для многих аспектов нашей жизни, она полезна только в правильных количествах. Слишком большое количество электричества может вызвать поражение электрическим током. Точно так же оно может уничтожить наши современные электронные устройства и машины. Но благодаря Майклу Фарадею, блестящему ученому XIX века, и одному из его изобретений, клетки Фарадея, мы, люди, разработали множество способов контролировать электричество и делать его более безопасным для наших компьютеров, автомобилей и других изобретений — и для нас тоже.
Клетки Фарадея защищают своё содержимое от электромагнитного излучения. По сути, когда электромагнитное поле сталкивается с чем-то, что может проводить электричество, заряды остаются снаружи проводника, а не проходят внутрь. Клетки Фарадея часто выглядят как настоящие клетки. Некоторые из них просты, как заборы из сетки или ведра для льда. Другие используют тонкую металлическую сетку.
Электромагнитное излучение окружает нас повсюду. Оно присутствует в видимом и ультрафиолетовом свете, в микроволнах, которые готовят нашу пищу, и даже в FM и AM радиоволнах, которые передают музыку через наши радиоприемники. Но иногда это излучение нежелательно и крайне разрушительно. Вот тут-то и приходят на помощь клетки Фарадея. Когда клетка Фарадея распределяет заряд или излучение по внешней стороне клетки, она нейтрализует электрические заряды или излучение внутри клетки. Проще говоря, клетка Фарадея — это полый проводник, в котором заряд остается на внешней поверхности клетки.
Эта базовая функция имеет множество удивительных применений в нашем мире, насыщенном электричеством и технологиями. И хотя Фарадей в конечном итоге добился признания, предыстория его изобретения на самом деле уходит корнями в более ранние времена. Так откуда же взялась идея этих сверхполезных клеток?
Бенджамин Франклин и Майкл Фарадей
Хотя клетка Фарадея названа в честь Майкла Фарадея, Бенджамин Франклин помог вдохновить многие идеи, лежащие в основе клеток Фарадея. Франклин, конечно же, провел часть своей выдающейся карьеры, запуская змеи в грозу в попытках привлечь молнию и, таким образом, уже был несколько знаком с капризами и концепциями электричества.
В 1755 году Франклин начал экспериментировать с электричеством по-новому. Он зарядил серебряную пинту и опустил в нее незаряженный пробковый шарик, прикрепленный к непроводящей шелковой нити, пока пробка не коснулась дна банки. «Пробка не притягивалась к внутренней части банки, как это было бы с внешней стороны, и хотя она касалась дна, при извлечении она не обнаруживалась заряженной от этого прикосновения, как это было бы при контакте с внешней частью. Это удивительный факт», — писал Франклин в письме коллеге. Он был озадачен взаимодействием электричества и заряженных и незаряженных объектов и признался в этом: «Вы спрашиваете причину; я ее не знаю. Возможно, вы ее откроете, и тогда будете так добры, чтобы сообщить мне об этом».
Десятилетия спустя английский физик и химик Майкл Фарадей сделал другие важные наблюдения — а именно, он понял, что электрический проводник (например, металлическая клетка), будучи заряженным, демонстрирует этот заряд только на своей поверхности. Он не оказывает влияния на внутреннюю часть проводника.
Фарадей подтвердил это наблюдение, обшив комнату металлической фольгой, а затем зарядив фольгу с помощью электростатического генератора. Он поместил электроскоп (прибор, который обнаруживает электрические заряды) внутри комнаты, и, как он и предполагал, электроскоп показал, что внутри комнаты нет заряда. Заряд просто перемещался по поверхности фольги и не проникал в комнату.
Фарадей далее изучил это явление в своем знаменитом эксперименте с ведром для льда. В этом тесте он фактически повторил идею Франклина, опустив заряженный латунный шар в металлическую чашу. Как и ожидалось, его результаты были такими же, как у Франклина.
Эта концепция имеет всевозможные удивительные применения, но вот одно, которое актуально для любого, кто когда-либо летал на самолете. Представьте себе полет на самолете, который внезапно поражает молния. Это не редкость — это происходит регулярно, однако самолет и его пассажиры не страдают. Это потому, что алюминиевый корпус самолета создает клетку Фарадея. Заряд от молнии проходит безвредно по поверхности самолета, не повреждая оборудование или людей внутри.
Это неудивительно, на самом деле. Это просто наука. Итак, как же на самом деле работает этот хитрый дизайн клетки?
Как работает клетка Фарадея?
Чтобы понять, как работают клетки Фарадея, вам нужно базовое понимание того, как работает электричество в проводниках. Процесс прост: металлические объекты, такие как алюминиевая сетка, являются проводниками и содержат электроны (отрицательно заряженные частицы), которые перемещаются в них. Когда нет электрического заряда, проводник имеет 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 таким же зарядом, как у внешнего объекта, отталкиваются и отдаляются от этого объекта. Это перераспределение зарядов называется электростатической индукцией.
При наличии внешнего заряженного объекта положительные и отрицательные частицы оказываются на противоположных сторонах проводника. Результатом является противоположное электрическое поле, которое нейтрализует поле заряда внешнего объекта внутри металлического проводника. Итоговый электрический заряд внутри алюминиевой сетки равен нулю.
И вот что самое интересное: хотя внутри проводника нет заряда, противоположное электрическое поле оказывает важное воздействие — оно защищает внутреннюю часть от внешних статических электрических зарядов, а также от электромагнитного излучения, такого как радиоволны и микроволны. В этом и заключается настоящая ценность клеток Фарадея.
Эффективность этого экранирования варьируется в зависимости от конструкции клетки. Изменения в проводимости различных металлов, таких как медь или алюминий, влияют на функцию клетки. Размер отверстий в сетке также меняет возможности клетки и может быть настроен в зависимости от частоты и длины волны электромагнитного излучения, которое вы хотите исключить из внутренней части клетки.
Клетки Фарадея иногда называются другими именами. Их могут называть экранами Фарадея, клетками радиочастот (RF) или клетками электродвижущей силы (EMF). Независимо от того, как их называют, клетки Фарадея чаще всего используются в научных лабораториях, либо в экспериментах, либо в разработке продуктов.
Использования клетка Фарадея
Люди используют клетки Фарадея для самых различных целей — иногда в лабораторных условиях, в других случаях в обычных продуктах. Ваша машина, например, работает в основном как клетка Фарадея. Именно этот эффект, а не резиновые шины, защищает вас в случае удара молнии поблизости.
Многие здания также действуют как клетки Фарадея, пусть и случайно. Их стены из гипса или бетона, усыпанные металлической арматурой или проволочной сеткой, часто создают помехи для беспроводных интернет-сетей и сигналов сотовой связи.
Но эффект экранирования чаще всего приносит пользу человечеству. Микроволновые печи переворачивают эффект, удерживая волны внутри клетки и быстро готовя вашу еду. Экранированные телевизионные кабели помогают поддерживать четкое изображение, снижая помехи.
Линейщики энергетических компаний часто носят специально изготовленные костюмы, которые используют концепцию клетки Фарадея. В этих костюмах линейщики могут работать на линиях высокого напряжения с гораздо меньшим риском поражения электрическим током.
Правительства могут защищать жизненно важное телекоммуникационное оборудование от ударов молнии и других электромагнитных помех, строя вокруг них клетки Фарадея. Научные лаборатории в университетах и корпорациях используют усовершенствованные клетки Фарадея для полного исключения всех внешних электрических зарядов и электромагнитного излучения, чтобы создать полностью нейтральную среду для проведения всех видов экспериментов и разработки продуктов.
Загляните в больницу, и вы найдете клетки Фарадея в форме комнат для МРТ (магнитно-резонансного сканирования). МРТ-сканирование опирается на мощные магнитные поля, чтобы создавать медицински полезные сканы человеческого тела. Комнаты для МРТ должны быть экранированы, чтобы предотвратить влияние посторонних электромагнитных полей на диагностические изображения пациента.
Существует множество политических и военных применений клеток Фарадея. Политики могут предпочесть обсуждать деликатные вопросы только в экранированных комнатах, которые могут блокировать технологии прослушивания. Все современные вооруженные силы зависят от электроники для связи и систем вооружения, но есть одна проблема — эти системы уязвимы для агрессивных электромагнитных импульсов (ЭМИ), которые могут быть результатом солнечной бури или даже искусственных ЭМИ-атак. Чтобы защитить критически важные системы, армии иногда используют экранированные бункеры и транспортные средства.
По этой же причине клетки Фарадея являются популярной темой в субкультуре выживальщиков. Эти люди, которые проповедуют самодостаточность и недоверие к правительственной реакции в случае катастроф, вызванных человеком или природой, верят в защиту всех важных электронных устройств с помощью самодельных клеток Фарадея. В случае апокалиптической катастрофы у них все еще будут коротковолновые радиоприемники и другие высокотехнологичные инструменты, которые могут спасти жизнь.
Даже если вы не особенно обеспокоены сценарием судного дня, клетки Фарадея, вероятно, играют роль в вашей жизни каждый день. Эти клетки используют базовый принцип физики и помогают людям по всему миру применять эти принципы — для безопасности, роскоши, удобства и для дальнейшего развития всё более захватывающих технологических достижений.
Клетки Фарадея защищают своё содержимое от электромагнитного излучения. По сути, когда электромагнитное поле сталкивается с чем-то, что может проводить электричество, заряды остаются снаружи проводника, а не проходят внутрь. Клетки Фарадея часто выглядят как настоящие клетки. Некоторые из них просты, как заборы из сетки или ведра для льда. Другие используют тонкую металлическую сетку.
Электромагнитное излучение окружает нас повсюду. Оно присутствует в видимом и ультрафиолетовом свете, в микроволнах, которые готовят нашу пищу, и даже в FM и AM радиоволнах, которые передают музыку через наши радиоприемники. Но иногда это излучение нежелательно и крайне разрушительно. Вот тут-то и приходят на помощь клетки Фарадея. Когда клетка Фарадея распределяет заряд или излучение по внешней стороне клетки, она нейтрализует электрические заряды или излучение внутри клетки. Проще говоря, клетка Фарадея — это полый проводник, в котором заряд остается на внешней поверхности клетки.
Эта базовая функция имеет множество удивительных применений в нашем мире, насыщенном электричеством и технологиями. И хотя Фарадей в конечном итоге добился признания, предыстория его изобретения на самом деле уходит корнями в более ранние времена. Так откуда же взялась идея этих сверхполезных клеток?
Бенджамин Франклин и Майкл Фарадей
Хотя клетка Фарадея названа в честь Майкла Фарадея, Бенджамин Франклин помог вдохновить многие идеи, лежащие в основе клеток Фарадея. Франклин, конечно же, провел часть своей выдающейся карьеры, запуская змеи в грозу в попытках привлечь молнию и, таким образом, уже был несколько знаком с капризами и концепциями электричества.
В 1755 году Франклин начал экспериментировать с электричеством по-новому. Он зарядил серебряную пинту и опустил в нее незаряженный пробковый шарик, прикрепленный к непроводящей шелковой нити, пока пробка не коснулась дна банки. «Пробка не притягивалась к внутренней части банки, как это было бы с внешней стороны, и хотя она касалась дна, при извлечении она не обнаруживалась заряженной от этого прикосновения, как это было бы при контакте с внешней частью. Это удивительный факт», — писал Франклин в письме коллеге. Он был озадачен взаимодействием электричества и заряженных и незаряженных объектов и признался в этом: «Вы спрашиваете причину; я ее не знаю. Возможно, вы ее откроете, и тогда будете так добры, чтобы сообщить мне об этом».
Десятилетия спустя английский физик и химик Майкл Фарадей сделал другие важные наблюдения — а именно, он понял, что электрический проводник (например, металлическая клетка), будучи заряженным, демонстрирует этот заряд только на своей поверхности. Он не оказывает влияния на внутреннюю часть проводника.
Фарадей подтвердил это наблюдение, обшив комнату металлической фольгой, а затем зарядив фольгу с помощью электростатического генератора. Он поместил электроскоп (прибор, который обнаруживает электрические заряды) внутри комнаты, и, как он и предполагал, электроскоп показал, что внутри комнаты нет заряда. Заряд просто перемещался по поверхности фольги и не проникал в комнату.
Фарадей далее изучил это явление в своем знаменитом эксперименте с ведром для льда. В этом тесте он фактически повторил идею Франклина, опустив заряженный латунный шар в металлическую чашу. Как и ожидалось, его результаты были такими же, как у Франклина.
Эта концепция имеет всевозможные удивительные применения, но вот одно, которое актуально для любого, кто когда-либо летал на самолете. Представьте себе полет на самолете, который внезапно поражает молния. Это не редкость — это происходит регулярно, однако самолет и его пассажиры не страдают. Это потому, что алюминиевый корпус самолета создает клетку Фарадея. Заряд от молнии проходит безвредно по поверхности самолета, не повреждая оборудование или людей внутри.
Это неудивительно, на самом деле. Это просто наука. Итак, как же на самом деле работает этот хитрый дизайн клетки?
Как работает клетка Фарадея?
Чтобы понять, как работают клетки Фарадея, вам нужно базовое понимание того, как работает электричество в проводниках. Процесс прост: металлические объекты, такие как алюминиевая сетка, являются проводниками и содержат электроны (отрицательно заряженные частицы), которые перемещаются в них. Когда нет электрического заряда, проводник имеет 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 таким же зарядом, как у внешнего объекта, отталкиваются и отдаляются от этого объекта. Это перераспределение зарядов называется электростатической индукцией.
При наличии внешнего заряженного объекта положительные и отрицательные частицы оказываются на противоположных сторонах проводника. Результатом является противоположное электрическое поле, которое нейтрализует поле заряда внешнего объекта внутри металлического проводника. Итоговый электрический заряд внутри алюминиевой сетки равен нулю.
И вот что самое интересное: хотя внутри проводника нет заряда, противоположное электрическое поле оказывает важное воздействие — оно защищает внутреннюю часть от внешних статических электрических зарядов, а также от электромагнитного излучения, такого как радиоволны и микроволны. В этом и заключается настоящая ценность клеток Фарадея.
Эффективность этого экранирования варьируется в зависимости от конструкции клетки. Изменения в проводимости различных металлов, таких как медь или алюминий, влияют на функцию клетки. Размер отверстий в сетке также меняет возможности клетки и может быть настроен в зависимости от частоты и длины волны электромагнитного излучения, которое вы хотите исключить из внутренней части клетки.
Клетки Фарадея иногда называются другими именами. Их могут называть экранами Фарадея, клетками радиочастот (RF) или клетками электродвижущей силы (EMF). Независимо от того, как их называют, клетки Фарадея чаще всего используются в научных лабораториях, либо в экспериментах, либо в разработке продуктов.
Использования клетка Фарадея
Люди используют клетки Фарадея для самых различных целей — иногда в лабораторных условиях, в других случаях в обычных продуктах. Ваша машина, например, работает в основном как клетка Фарадея. Именно этот эффект, а не резиновые шины, защищает вас в случае удара молнии поблизости.
Многие здания также действуют как клетки Фарадея, пусть и случайно. Их стены из гипса или бетона, усыпанные металлической арматурой или проволочной сеткой, часто создают помехи для беспроводных интернет-сетей и сигналов сотовой связи.
Но эффект экранирования чаще всего приносит пользу человечеству. Микроволновые печи переворачивают эффект, удерживая волны внутри клетки и быстро готовя вашу еду. Экранированные телевизионные кабели помогают поддерживать четкое изображение, снижая помехи.
Линейщики энергетических компаний часто носят специально изготовленные костюмы, которые используют концепцию клетки Фарадея. В этих костюмах линейщики могут работать на линиях высокого напряжения с гораздо меньшим риском поражения электрическим током.
Правительства могут защищать жизненно важное телекоммуникационное оборудование от ударов молнии и других электромагнитных помех, строя вокруг них клетки Фарадея. Научные лаборатории в университетах и корпорациях используют усовершенствованные клетки Фарадея для полного исключения всех внешних электрических зарядов и электромагнитного излучения, чтобы создать полностью нейтральную среду для проведения всех видов экспериментов и разработки продуктов.
Загляните в больницу, и вы найдете клетки Фарадея в форме комнат для МРТ (магнитно-резонансного сканирования). МРТ-сканирование опирается на мощные магнитные поля, чтобы создавать медицински полезные сканы человеческого тела. Комнаты для МРТ должны быть экранированы, чтобы предотвратить влияние посторонних электромагнитных полей на диагностические изображения пациента.
Существует множество политических и военных применений клеток Фарадея. Политики могут предпочесть обсуждать деликатные вопросы только в экранированных комнатах, которые могут блокировать технологии прослушивания. Все современные вооруженные силы зависят от электроники для связи и систем вооружения, но есть одна проблема — эти системы уязвимы для агрессивных электромагнитных импульсов (ЭМИ), которые могут быть результатом солнечной бури или даже искусственных ЭМИ-атак. Чтобы защитить критически важные системы, армии иногда используют экранированные бункеры и транспортные средства.
По этой же причине клетки Фарадея являются популярной темой в субкультуре выживальщиков. Эти люди, которые проповедуют самодостаточность и недоверие к правительственной реакции в случае катастроф, вызванных человеком или природой, верят в защиту всех важных электронных устройств с помощью самодельных клеток Фарадея. В случае апокалиптической катастрофы у них все еще будут коротковолновые радиоприемники и другие высокотехнологичные инструменты, которые могут спасти жизнь.
Даже если вы не особенно обеспокоены сценарием судного дня, клетки Фарадея, вероятно, играют роль в вашей жизни каждый день. Эти клетки используют базовый принцип физики и помогают людям по всему миру применять эти принципы — для безопасности, роскоши, удобства и для дальнейшего развития всё более захватывающих технологических достижений.
