И хоть словосочетание «клетка Фарадея» звучит как нечто из курса физики «не для слабонервных», на деле это устройство может сделать каждый. При этом находится оно сплошь и рядом: в медицинских центрах и даже у вас дома!
Тайна клетки Фарадея: что это такое, как она устроена и для чего нужна
Клетка Фарадея звучит не менее загадочно, чем выглядит. Изобретенная в XIX веке, клетка имеет ряд практических применений, но по большей части сегодня это выглядит как забавный аттракцион. Как же он работает и можно ли сделать эту волшебную «машину» своими руками?
CC BY 3.0
Клетки Фарадея и правда окружают вас — вы их попросту не замечаете! Рассказываем, как они работают и почему могут быть очень полезны.
Что такое клетка Фарадея
Клетка Фарадея: что это такое простыми словами? Это некий контейнер или щит, который блокирует электромагнитное излучение во всем электромагнитном спектре, например, радиоволны и микроволны. Она работает по принципу, согласно которому при столкновении электромагнитного поля с чем-то, способным проводить электричество, электрические заряды остаются снаружи проводника и не могут попасть внутрь.
Эффект, образующийся внутри клетки Фарадея, также нередко называют «электромагнитная тишина».
Это также означает, что клетка Фарадея, изготовленная из материала, способного проводить электричество, предотвратит прохождение определенного электромагнитного излучения. Это относится как к постоянным, или электростатическим полям, так и к изменяющимся электродинамическим полям.
Кто и когда изобрел клетку Фарадея
Клетка Фарадея не зря названа именно так. В 1836 году физик-экспериментатор Майкл Фарадей, исследуя статическое электричество, обнаружил его необычные свойства. Он увидел, что заряд тока был способен зарядить только внешнюю поверхность проводника. А вот на пространство внутри он никак не воздействовал — такая особенность и получила название «клетка Фарадея». Принцип работы заключался в следующем: противоположные стороны проводника получали такие заряды, которые попросту компенсировались внешними стенками. Все дело в том, что свободные электроны в металле перераспределялись и перенаправлялись по сетке.
Как работает клетка Фарадея
А теперь более подробно рассмотрим последовательность процессов в клетке Фарадея. Как только в клетку из металла с высокой электропроводностью попадает электромагнитное излучение, свободные электроны перемещаются из одного места в другое. В это время стороны клетки приобретают «противоположные» заряды, которые компенсируют воздействие внешнего поля.
Вот так выглядит схема работы клеток Фарадея.
От чего и как защищает клетка Фарадея
Клетка Фарадея, к сожалению, не всесильна: она не может защитить от постоянного или изменяющегося магнитного поля. А вот электрическое поле на нашей стороне: оно создает магнитное, которое, тем временем, превращается в изменяющееся электрическое. Клетка Фарадея — это устройство, которое защищает от радиоволн и электромагнитных импульсов. Оно может спасти в том числе от удара молнии, поскольку ее заряд «обтечет» поверхность. Если клетка соединена с землей, то весь ток направится в нее.
Применение клеток Фарадея в современном мире
Чтобы найти клетку Фарадея, отправляться в лабораторию или на завод совсем не обязательно — она куда ближе, чем нам кажется. Например, если у вас на кухне есть микроволновая печь, она сама по себе является клеткой Фарадея. Она удерживает микроволны в ловушке внутри прибора, чтобы они нагревали вашу пищу и не выходили наружу. Так что стоять рядом с микроволновкой можно — ее излучение вам не навредит.
Используется клетка Фарадея и для МРТ. Сканеры магнитно-резонансной томографии позволяют предотвратить попадание радиосигналов в помещение и вмешательство их в работу оборудования. Кстати, многие здания с металлической «основой» повторяют принцип работы клетки Фарадея — при ударе молнии ток не проходит внутрь. То же самое встречается и на более внушительной частоте: во время грозы пассажиры самолета защищены благодаря его алюминиевому корпусу.
Экспериментировать с принципом клетки Фарадея следует крайне осторожно. Необходимо полностью закрыть предмет (или самого себя) металлической сеткой или фольгой. В противном случае будет очень больно!
10 советов, как сделать клетку Фарадея своими руками
Клетка Фарадея может быть изготовлена из любого материала, который способен проводить электричество. Это может быть проволочная сетка, металлические листы или мотки проволоки. Форма и размер клетки Фарадея также не важны: можно использовать и коробки, и сферы, и цилиндры; от очень маленьких до очень больших. Даже алюминиевая фольга станет хорошим материалом для клетки!
Есть, конечно, небольшие особенности. Чтобы эффект клетки Фарадея сработал «правильно» и устройство не повредило вас, важно сохранить пропорции. Наружное покрытие, или проводник, может быть чрезвычайно тонким, как фольга, но если сделать его толще, это обеспечит дополнительную защиту от мощных электрических полей.
Кроме того, необходимо сохранить размер ячеек таким образом, чтобы он был меньше длины волны экранируемого магнитного излучения. Напоследок проверьте, что клетка Фарадея нигде не имеет отверстий.
Существует и клетка Фарадея для телефона. Положите гаджет в пластиковый чехол, а затем окружите его, например, алюминиевой фольгой, и это уже будет импровизированная клетка Фарадея.
Осведомлен — значит вооружен. Вот и другие лайфхаки, как повторить устройство клетка Фарадея своими руками:
- Выберите конструкцию и размер клетки. Лучше отдать предпочтение более замкнутым формам, например, кубу или прямоугольному параллелепипеду. Обязательно оставьте немного свободного места больше — для циркуляции воздуха.
- А теперь займемся материалами. Важно создать проводящую оболочку. Здесь вам пригодятся мелкая металлическая сетка (главное, чтобы ячейки не были больше 5 мм — это позволит экранировать даже СВЧ-диапазон) или тонкий металлический лист. Подойдет даже алюминиевая фольга. Далее продумайте, из чего будет сделана сама основа. Это может быть деревянный или пластиковый ящик.
- Соедините «оболочку» с корпусом, используя медную или стальную проволоку. Если вы выбрали листовой металл, возьмите специальные металлические уголки и саморезы. Помните, что проводящий материал должен замыкаться со всех сторон! Все потому, что даже самый маленький зазор нарушит принцип клетки Фарадея. Внутренние проводящие поверхности можно дополнительно покрыть фольгой, чтобы не было «мертвых зон» в углах.
- Если внутрь клетки вы хотите провести провода, воспользуйтесь герметичным вводом (сальником) — так вы обезопасите и себя, и технику.
- Дверца должна плотно закрываться и при этом не нарушать поверхность проводящего материала. Чтобы дверца крепко держалась, создайте дополнительный слой из фольги или обмотайте деталь проволокой.
- Обязательно подумайте о заземляющем контуре. Им может стать водопроводная труба или вертикальный проводник, к которому необходимо провести провод.
- Обязательно проверьте, насколько хорошо работает ваша клетка Фарадея. Купить дополнительные «ингредиенты» будет проще, нежели сразу столкнуться с нежелательными последствиями. Так, включите радио и разместите приемник внутри. Теперь закройте клетку и проверьте, ловится ли сигнал. Если в ответ вас ожидает одна тишина, значит, экранирование «работает» эффективно!