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.
Watch this video on YouTube
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».
Применение клетки Фарадея
Принцип работы клетки лежит в основе конструкции многих защитных устройств. Например, высокочастотные электромагнитные волны, в зависимости от размеров ячеек, частично отражаются от клетки, а во многих случаях просто затухают в толщине металла. Данный эффект вызывает индуцирование вихревых токов, которые в дальнейшем рассеиваются и выделяются в виде тепла.
Экранирующая функция клетки зависит от толщины металла, глубины поверхностного слоя, размеров ячейки и ее соотношение с длиной внешней волны. Различные кабели экранируются по принципу клетки Фарадея, а в их конструкции используются материалы с хорошей проводимостью. Для повышения эффективности таких систем, размеры ячеек в них делаются значительно меньше длины волны, от которой защищает экран.
Принцип действия клетки широко используется в современных микроволновых печах. Дверцы микроволновок оборудованы металлической сеткой с мелкими ячейками, значительно меньшими, чем длина волны магнетрона. Практически все микроволновки работают на частоте 2450 МГц, а длина волны немного превышает 12 см. Отсюда следует, что сетка, установленная на дверце, легко экранирует внутреннее излучение и не выпускает его наружу.
Функции остальных сторон клетки в микроволновке выполняет металлическая камера, где помещается разогреваемая пища. Если внутрь выключенной печи поместить мобильный телефон, то он станет недоступен для сети, так как длина волн GSM больше волн магнетрона. Поэтому они и не могут преодолеть защитный эффект микроволнового устройства.
Для работ с высоковольтными линиями электропередачи разработаны различные виды защитных металлических костюмов, в которых также использован принцип работы клетки Фарадея. Материалом для них служат тонкие волокна из меди или нержавеющей стали. Эти костюмы обеспечивают надежную защиту, поскольку даже отключенная линия передачи электроэнергии, имеющая большую протяженность, способна накапливать статические заряды, опасные для жизни и здоровья людей. Металлическая ткань серебристого цвета эффективно нейтрализует вредное воздействие электромагнитных полей любых высоковольтных установок.
Благодаря таким комплектам, вокруг человеческого тела образуется замкнутое экранированное пространство, через которое не могут проникнуть внутрь любые электрические поля. Для всех элементов одежды использованы материалы, проводящие электричество. Они соединены между собой каналами повышенной проводимости, а на выводах установлены электропроводящие контакты. По такой защите токи безопасно стекают и уходят в землю.
Изготовление клетки Фарадея своими руками
Компьютеры, телевизоры, иная техника с полупроводниковыми деталями повреждается сильным электромагнитным излучением. Чтобы исключить частый ремонт дорогих изделий, можно создать клетку Фарадея своими руками для защиты одной комнаты или квартиры в целом.
Может ли клетка иметь отверстия
Чтобы рассчитать приемлемые размеры ячеек, нужно уточнить параметры электромагнитных помех. Для защиты от излучения передатчиков сотовой связи выясняют соответствующий диапазон. Так, если рабочая частота – 1 880 Мгц, длина волны составит приблизительно 15,9 см. Уменьшив это значение в 8-10 раз, получают необходимый результат ≈2 см. На этом расстоянии размещают отдельные элементы решетчатой конструкции.
Что делать с дверью
Щели способны пропускать волны даже при минимальной ширине, которая вычислена по рассмотренной выше методике. Это значит, что соответствующие части дверных проемов нужно закрыть мягкой сеткой из токопроводящего материала.
Что использовать из подручных средств
Для изготовления защищенной зоны можно использовать вышедший из строя холодильник либо другой корпус бытовой техники, металлическое ведро или мусорный бак. Действующую конструкцию необходимых размеров собирают из фанерных листов. Обклеивают наружные поверхности пищевой фольгой. Нужно создать цельный слой без щелей и других дефектов.
Нужно ли заземлять конструкцию
В профессиональных проектах стационарные защитные системы этой категории заземляют. Как правило, аналогичные решения применяют при создании крупных клеток собственными руками. Большие конструкции способны накопить значительную разницу потенциалов на противоположных стенках, поэтому применение таких мер обеспечит необходимый уровень безопасности.
Как проверить работу клетки Фарадея
Затратив определенное время, хочется проверить действительные защитные свойства созданного сооружения. Простейший способ – поместить внутрь клетки сотовый телефон. Звонком или отправлением SMS сообщения на соответствующий номер проверяют отсутствие связи. Аналогичный эксперимент можно выполнить с применением радиоприемника.
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.
https://youtube.com/watch?v=PF6eFwYcC_0
Для чего она нужна?
В основном ее используют в промышленности, чтобы защитить аппаратуру от воздействия нежелательного электромагнитного излучения. Например, при установке медицинских томографов. Очень часто используют в лабораториях, где нужно проводить высокоточные измерения и снизить воздействие электромагнитных шумов. При промышленном использовании обычно привлекают специалистов, которые смогут правильно рассчитать все параметры клетки.
В быту свойства этого изобретения чаще всего советуют использовать для защиты всевозможных электронных устройств (мобильные телефоны, планшеты и т. д.) от повреждения электромагнитным излучением или импульсом (волной). Эта волна может быть вызвана ядерным взрывом или каким-то природным явлением, например, вспышками на солнце.
Некоторые из них даже строят себе дома, которые являются «клетками Фарадея», чтобы полностью защититься от возможного влияния электромагнитных излучений. Пример такого дома вы видите на картинке выше. В жилище его хозяин сможет точно пережить любой катаклизм. Особенно популярна эта тема среди людей, которые боятся всякого рода излучений и их влияния на здоровье, а также среди верящих во всемирную катастрофу и готовящихся к выживанию после нее.
Наиболее простым вариантом изготовления клетки Фарадея своими руками может стать любой предмет с герметичным корпусом, электропроводящим наружным слоем и не проводящим электричество слоем внутри.
Таким предметом может стать буквально любой предмет домашнего обихода, который можно закрыть. Форма может быть самая разная: коробка, цилиндр, сфера – в общем-то, что угодно. Внутреннюю часть нужно сделать из любого материала, который не проводит электричество: картон, бумага, дерево, пластик и т. д. Поэтому проще всего взять уже готовый металлический предмет и вставить внутрь непроводящий электричество слой или, наоборот, взять предмет из не проводящего электричества слоя и обернуть его внешние части проводящим слоем (например, фольгой). Даже если вы просто обернете свой прибор в фольгу – это уже будет простейшая клетка Фарадея, своими руками сделанная.
Данная клетка Фарадея (фото представлено) сделана из обычного деревянного ящика.
Из обычного мусорного металлического бака, металлического ящика или неэмалированного ведра с крышкой тоже можно сделать клетку Фарадея, просто выложив внутреннюю поверхность картоном.
Вот такой старый ящик для инструментов может стать прекрасной основой для данного прибора.
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:
- Пищевую фольгу делят на отрезки, по размеру фанерных стенок или их заготовок.
- Поверхности будущего ящика с внешней стороны отделывают фольгой. При этом наружу должна быть обращена её блестящая сторона.
- Стенки скрепляют изнутри скотчем, а на дно ящика кладут пару ковриков для компьютерной мышки.
- 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 генератор водорода и как его сделать своими руками
Как сделать металлоискатель своими руками, помощь новичкам
Как сделать катушку Тесла своими руками?
Как сделать элемент Пельтье своими руками?
Возможно ли сделать бестопливный генератор энергии своими руками?
Что такое магнитный двигатель и как его сделать своими руками?
Стрежневой молниеотвод
Молниеотвод представляет собой конусообразный стержень, расположенный наверху здания. Он заземляется одним или несколькими проводниками-токоотводами (часто это медные полосы) (см. рис. J8
).
Рис. J8:Пример защиты с помощью молниеотвода Проектирование и монтаж молниеотвода — это задача, которой должны заниматься специалисты.
При этом необходимо обеспечить соответствующее расположение проводников-токоотводов (медных полос), испытательных зажимов и заземляющих электродов для отвода высокочастотных токов молнии на землю, а также расстояния их относительно систем электропроводки, газо-, водоснабжения и т.д.
Кроме того, отвод тока молнии на землю индуцирует перенапряжения (из-за электромагнитного излучения) в защищаемых электрических цепях и сооружениях. Такие перенапряжения могут достигать нескольких десятков киловольт. Поэтому, необходимо симметрично развести токи вниз по двум, четырем или более проводникам токоотвода для минимизации электромагнитных эффектов.
Фарад
Фарамд (обозначение: Ф, F) — единица измерения электрической ёмкости в системе СИ (ранее называлась фарамда).
1 фарад равен электрической ёмкости конденсатора, при которой заряд 1 кулон создаёт между обкладками конденсатора напряжение 1 вольт.
Ф = Кл/В = A·c/B
Единица названа в честь английского физика Майкла Фарадея
Фарад — очень большая ёмкость. Емкостью 1Ф обладал бы уединенный шар, радиус которого был бы равен 13 радиусам Солнца. Для сравнения, ёмкость Земли (шара размером с Землю, как уединенного проводника) составляет всего около 700 микрофарад.
Промышленно выпускаемые конденсаторы обычно имеют номиналы измеряемые в микро- и пикофарадах.
Впрочем, ёмкость т. н. ионисторов (конденсаторов с двойным электрическим слоем) может достигать нескольких килофарад.
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.
Майкл фарадей. клетка фарадея. принцип действия и применение
Ключевые слова: ФАРАДЕЙ; КЛЕТКА; ЗАРЯД; ЭЛЕКТРОМЕТР; ОПЫТ; ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ; ПЕРЕДАЧА; СИСТЕМА; ЧАСТОТА; FARADAY; CELL; CHARGE; ELECTROMETER; EXPERIMENT; ELECTRIC POWER; TRANSMISSION; SYSTEM; FREQUENCY.
Аннотация: В данной работе раскрывается актуальная тема «Майкл Фарадей. Клетка Фарадея. Принцип действия и применение». Рассматриваются некоторые стороны жизни ученого, его биография. Изучается принцип действия и область применения «Клетки Фарадея».
Майкл Фарадей (1791-1867) – английский физик-экспериментатор и химик, иностранный почётный член Петербургской академии наук. Скромные доходы семьи не дали Майклу окончить даже среднюю школу. С 13 лет начинает работать разносчиком газет, его отдают в переплетную мастерскую, которая находилась при книжной лавке.
Майкл с интересом читал книги, особенно впечатляли его труды по химии и статьи тогда новой отрасли – электричество
Один из посетителей лавки обращает на молодого переплетчика внимание и дарит ему билет на лекции английского химика Г.Деви. Позже юноша заявляет, что хотел бы у него работать, но Г.Деви отказывал ему. Через несколько дней проводя химический опыт, ученый повредил глаз, и ему срочно понадобился ассистент
Так Фарадей становится ассистентом в знаменитом королевском институте. Он опубликовал более 40 статей
Через несколько дней проводя химический опыт, ученый повредил глаз, и ему срочно понадобился ассистент. Так Фарадей становится ассистентом в знаменитом королевском институте. Он опубликовал более 40 статей.
После того, как датский физик Ханс Кристиан Эрстед в 1820 году открыл магнитное поле электрического тока Фарадей заинтересовался связью электрическими и магнитными полями. Спустя год он делает первое свое открытие, заставив магнит вращаться вокруг проводника с током.
Размышляя о взаимодействии различных видов энергии, Майкл Фарадей поставил перед собой цель — превратить магнетизм в электричество. С этой целью он справился. В августе 1831 года ученый обнаружил явление электромагнитной индукции и создал первый в мире электрогенератор.
https://youtube.com/watch?v=63TtyTc9flo
В 1848 году он открыл так называемый «Эффект Фарадея» это было первое указание на существование связи между оптикой и электромагнетизмом. Он писал, что намагнитил свет и осветил магнитную силовую линию.
12 марта 1862 года описал последний лабораторный опыт под номером 16041.
Клетка или «Щит Фарадея» — представляет собой замкнутое пространство, которое предотвращает прохождение электромагнитного поля.
Чаще всего это заземленная клетка, изготовленная из таких материалов, которые хорошо проводят ток. Названа она именем Майкла Фарадея, который изобрел ее в 1836 году.
Ученый выясняет, что на заряженном проводнике избыточный заряд локализуется только на его внешней стороне и предметы находящиеся изнутри никакому воздействию не подвергаются.
Чтобы представить полную картину об этом факте Фарадей оборудует комнату, которую покрывает пленкой из металла и с помощью электростатического генератора подает высоковольтный заряд на наружную сторону комнаты.
С помощью электроскопа доказывает, что на внутренней части стены комнаты нет зарядов электричества. Во внутренней части комнаты электроскоп показывал, что заряд отсутствует, в то время, когда электроскоп, который присоединен к внешней части показывал обратное.
Для полноты исследования, внутрь клетки помещались небольшие животные. Электростатический генератор подавал высоковольтные электрические разряды на клетку, но для животных не было никакого вреда, так как заряд стекал по поверхности клетки.
Клетка Фарадея применяется не только в медицине, но и там где требуется безопасная работа человека и оборудования. Клетка Фарадея находит применение: в радиочастотных боксах, в кабинетах рентгена и магнитно-резонансной томографии, даже в микроволновках. Комната, где находится магнитно-резонансный томограф, излучающий магнитные поля, требует особой защиты поскольку:
1. Защищает пациентов и персонал клиники.2. Предотвращает влияние электромагнитных помех на показания приборов.
3. Устраняет воздействие магнитного излучения на объекты, которые находятся в кабинете.
