stringtranslate.com

клетка Фарадея

Демонстрация клетки Фарадея на добровольцах во Дворце открытий в Париже.
Экранирование от электромагнитных помех вокруг помещения аппарата МРТ
Щит Фарадея на электростанции в Хаймбахе, Германия

Клетка Фарадея или щит Фарадея — это корпус, используемый для блокировки некоторых электромагнитных полей . Щит Фарадея может быть образован сплошным покрытием из проводящего материала или, в случае клетки Фарадея, сеткой из таких материалов. Клетки Фарадея названы в честь ученого Майкла Фарадея , который первым построил одну в 1836 году. [1]

Видео клетки Фарадея, защищающей человека от электричества

Клетки Фарадея работают, потому что внешнее электрическое поле заставит электрические заряды внутри проводящего материала клетки распределиться таким образом, что эффект поля внутри клетки будет нейтрализован. Это явление можно использовать для защиты чувствительного электронного оборудования (например, радиочастотных приемников ) от внешних радиочастотных помех (RFI), часто во время тестирования или настройки устройства. Клетки Фарадея также используются для защиты людей и оборудования от электрических токов, таких как удары молнии и электростатические разряды , потому что клетка проводит электрический ток вокруг внешней части замкнутого пространства, и ни один ток не проходит через внутреннюю часть.

Клетки Фарадея не могут блокировать стабильные или медленно меняющиеся магнитные поля, такие как магнитное поле Земли ( компас все равно будет работать внутри клетки). Однако в значительной степени они защищают внутреннее пространство от внешнего электромагнитного излучения , если проводник достаточно толстый, а любые отверстия значительно меньше длины волны излучения. Например, некоторые процедуры компьютерной судебной экспертизы электронных систем, которым требуется среда, свободная от электромагнитных помех, могут проводиться в экранированной комнате. Эти комнаты представляют собой пространства, которые полностью закрыты одним или несколькими слоями тонкой металлической сетки или перфорированного листового металла. Металлические слои заземлены для рассеивания любых электрических токов, генерируемых внешними или внутренними электромагнитными полями, и, таким образом, они блокируют большую часть электромагнитных помех (см. также электромагнитное экранирование ). Они обеспечивают меньшее затухание исходящих передач, чем входящих: они могут очень эффективно блокировать волны электромагнитного импульса (ЭМИ) от природных явлений, но, особенно на высоких частотах, устройство слежения может проникнуть изнутри клетки (например, некоторые сотовые телефоны работают на разных радиочастотах, поэтому, пока одна частота может не работать, другая будет).

Прием или передача радиоволн , формы электромагнитного излучения , к антенне или от нее в клетке Фарадея сильно ослабляется или блокируется клеткой; однако клетка Фарадея имеет различное ослабление в зависимости от формы волны, частоты или расстояния от приемника или передатчика, а также мощности приемника или передатчика. Высокочастотные передачи ближнего поля, такие как HF RFID, с большей вероятностью проникнут. Сплошные клетки обычно ослабляют поля в более широком диапазоне частот, чем сетчатые клетки.

История

В 1754 году Жан-Антуан Нолле опубликовал отчет об эффекте клетки в своих «Экспериментальных уроках физики» . [2]

В 1755 году Бенджамин Франклин наблюдал этот эффект, опуская незаряженный пробковый шарик, подвешенный на шелковой нити, через отверстие в электрически заряженной металлической банке. Поведение похоже на поведение клетки или щита Фарадея. [3] [ не удалось проверить ]

В 1836 году Майкл Фарадей заметил, что избыточный заряд на заряженном проводнике находится только на его внешней стороне и не оказывает никакого влияния на что-либо, заключенное внутри него. Чтобы продемонстрировать это, он построил комнату, покрытую металлической фольгой, и позволил высоковольтным разрядам от электростатического генератора ударять по внешней стороне комнаты. Он использовал электроскоп, чтобы показать, что на внутренних стенах комнаты нет электрического заряда.

Операция

Анимация, показывающая, как работает клетка Фарадея (коробка) . При приложении внешнего электрического поля (стрелки) электроны (маленькие шарики) в металле перемещаются в левую сторону клетки, придавая ей отрицательный заряд, в то время как оставшийся несбалансированный заряд ядер придает правой стороне положительный заряд. Эти индуцированные заряды создают противоположное электрическое поле, которое нейтрализует внешнее электрическое поле во всей коробке.

Непрерывный

Непрерывный экран Фарадея представляет собой полый проводник. Внешне или внутренне приложенные электромагнитные поля создают силы на носителях заряда (обычно электронах) внутри проводника; заряды перераспределяются соответствующим образом из-за электростатической индукции . Перераспределенные заряды значительно снижают напряжение внутри поверхности, в степени, зависящей от емкости; однако, полной отмены не происходит. [4]

Внутренние сборы

Если заряд +Q поместить внутрь незаземленного экрана Фарадея, не касаясь стенок, внутренняя поверхность экрана станет заряженной −Q, что приведет к линиям поля, исходящим от заряда и простирающимся до зарядов внутри внутренней поверхности металла. Пути линий поля в этом внутреннем пространстве (до конечных отрицательных зарядов) зависят от формы внутренних стенок оболочки. Одновременно +Q накапливается на внешней поверхности экрана. Распространение зарядов на внешней поверхности не зависит от положения внутреннего заряда внутри оболочки, а скорее определяется формой внешней поверхности. Таким образом, для всех намерений и целей экран Фарадея генерирует то же самое статическое электрическое поле снаружи, которое он бы генерировал, если бы металл был просто заряжен +Q. См. , например, эксперимент Фарадея с ледяным ведром для получения более подробной информации о линиях электрического поля и развязке внешнего от внутреннего. Обратите внимание, что электромагнитные волны не являются статическими зарядами.

Если клетка заземлена , избыточные заряды будут нейтрализованы, поскольку заземление создает эквипотенциальную связь между внешней частью клетки и окружающей средой, поэтому между ними нет напряжения, а следовательно, и поля. Внутренняя поверхность и внутренний заряд останутся прежними, поэтому поле останется внутри.

Внешние поля

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

Эффективность экранирования статического электрического поля во многом не зависит от геометрии проводящего материала; однако статические магнитные поля могут полностью проникать сквозь экран.

В случае изменяющихся электромагнитных полей, чем быстрее изменения (т.е. чем выше частоты), тем лучше материал сопротивляется проникновению магнитного поля. В этом случае экранирование также зависит от электропроводности , магнитных свойств проводящих материалов, используемых в клетках, а также от их толщины.

Хороший пример эффективности экрана Фарадея можно получить из соображений глубины скин-слоя . При глубине скин-слоя ток, протекающий в основном по поверхности, экспоненциально затухает с глубиной через материал. Поскольку экран Фарадея имеет конечную толщину, это определяет, насколько хорошо работает экран; более толстый экран может лучше ослаблять электромагнитные поля и на более низкой частоте.

клетка Фарадея

Клетки Фарадея — это щиты Фарадея, в которых есть отверстия, и поэтому их сложнее анализировать. В то время как сплошные щиты по существу ослабляют все длины волн, глубина скин-слоя которых в материале корпуса меньше толщины корпуса, отверстия в клетке могут пропускать более короткие длины волн или создавать « затухающие поля » (колеблющиеся поля, которые не распространяются как электромагнитные волны) сразу за поверхностью. Чем короче длина волны, тем лучше она проходит через сетку заданного размера. Таким образом, для хорошей работы на коротких длинах волн (т. е. на высоких частотах) отверстия в клетке должны быть меньше длины волны падающей волны.

Примеры

Клетка Фарадея над окнами обсерватории Грин-Бэнк

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Майкл Фарадей". Encarta . Архивировано из оригинала 8 мая 2006 года . Получено 20 ноября 2008 года .
  2. ^ Маскарт, Элеутер Эли Николя (1876). Traité d'électricité statique. Г. Массон. п. 95. Фарадей Кейдж Ноллет.
  3. ^ Краусс, Дж. Д. (1992) Электромагнетизм , 4-е изд., McGraw-Hill. ISBN 0-07-035621-1 
  4. ^ Чепмен, С. Джонатан; Хьюитт, Дэвид П.; Трефетен, Ллойд Н. (2015). «Математика клетки Фарадея» (PDF) . Обзор SIAM . 57 (3): 398–417. doi :10.1137/140984452.
  5. ^ "Понимание экранирования EMI/RFI для управления помехами". Ceptech . Получено 2020-04-23 .
  6. ^ "Надежность становится главной проблемой в автомобилестроении". Блог пассивных компонентов . 2019-02-12 . Получено 2020-04-23 .
  7. ^ Хэмилл, Шон (22 декабря 2008 г.). «По мере спада экономики число арестов за кражи в магазинах растет». The New York Times . Получено 12 августа 2009 г.
  8. ^ «Что препятствует утечке микроволнового излучения через дверцу духовки?». The Straight Dope . 4 ноября 2003 г. Получено 1 июня 2024 г.
  9. ^ Прозе, Марк. «Несовершенная система». Журнал AARP . № апрель/май 2020 г. стр. 6. с экраном Фарадея сделает функции передачи и приема телефонов бесполезными
  10. ^ «ОТРЕДАКТИРОВАНО ДЛЯ ОБЩЕСТВЕННОГО ПРОСМОТРА: Отчет о состоянии оперативной группы по борьбе с контрабандой телефонов» (PDF) . CTIA . 26 апреля 2019 г.
  11. ^ "Предложения научного центра 2023 года". Обсерватория Грин-Бэнк . Получено 6 мая 2024 г.

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Клетки Фарадея» .