stringtranslate.com

Клетка Фарадея

Демонстрация клетки Фарадея на добровольцах во Дворце Декуверт в Париже.
Экранирование электромагнитных помех вокруг машинного зала МРТ
Щит Фарадея на электростанции в Хаймбахе, Германия.
сумка Фарадея
Мешки Фарадея — это разновидность клетки Фарадея, изготовленной из гибкой металлической ткани. Обычно они используются для блокировки удаленного стирания или изменения беспроводных устройств, обнаруженных в ходе уголовных расследований, но также могут использоваться широкой общественностью для защиты от кражи данных или для повышения конфиденциальности цифровых данных .

Клетка Фарадея или экран Фарадея — это оболочка, используемая для блокировки электромагнитных полей . Экран Фарадея может быть образован сплошным покрытием из проводящего материала или, в случае клетки Фарадея, сеткой из таких материалов. Клетки Фарадея названы в честь учёного Майкла Фарадея , который впервые сконструировал одну из них в 1836 году. [1]

Видео клетки Фарадея, защищающей человека от электричества

Клетка Фарадея работает, потому что внешнее электрическое поле заставляет электрические заряды внутри проводящего материала клетки распределяться так, что они нейтрализуют действие поля внутри клетки. Это явление используется для защиты чувствительного электронного оборудования (например, радиочастотных приемников ) от внешних радиочастотных помех (RFI), часто во время тестирования или настройки устройства. Они также используются для защиты людей и оборудования от электрических токов, таких как удары молнии и электростатические разряды , поскольку ограждающая клетка проводит ток снаружи замкнутого пространства, и он не проходит внутрь.

Клетки Фарадея не могут блокировать стабильные или медленно меняющиеся магнитные поля, такие как магнитное поле Земли ( компас все равно будет работать внутри них). Однако в значительной степени они защищают внутреннюю часть от внешнего электромагнитного излучения , если проводник достаточно толстый и любые отверстия значительно меньше длины волны излучения. Например, определенные процедуры компьютерной криминалистической экспертизы электронных систем, требующие среды, свободной от электромагнитных помех , могут проводиться в экранированном помещении. Эти помещения представляют собой помещения, полностью закрытые 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 электромагнитные импульсные волны (ЭМИ), вызванные природными явлениями, но, особенно на высоких частотах, устройство слежения может проникнуть изнутри клетки (например, некоторые сотовые телефоны работают на разных радиочастотах, поэтому одна частота может не работать, а другая).

Прием или передача радиоволн , формы электромагнитного излучения , к антенне внутри клетки Фарадея или от нее сильно ослабляется или блокируется клеткой; однако клетка Фарадея имеет различное затухание в зависимости от формы волны, частоты или расстояния от приемника или передатчика, а также мощности приемника или передатчика. Мощные частотные передачи ближнего поля, такие как HF RFID, с большей вероятностью проникнут. Твердые 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] Он также был известен как аббат Нолле.

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

В 1836 году Майкл Фарадей заметил, что избыточный заряд заряженного проводника находится только на его внешней стороне и не влияет ни на что, находящееся внутри него. Чтобы продемонстрировать это, он построил комнату, покрытую металлической фольгой, и позволил высоковольтным разрядам электростатического генератора попадать за пределы комнаты. С помощью электроскопа он показал, что внутри стен комнаты нет электрического заряда.

Операция

Анимация, показывающая, как работает клетка (ящик) Фарадея . При приложении внешнего электрического поля (стрелки) электроны (маленькие шарики) в металле движутся к левой стороне 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 всем ящике.

Непрерывный

Непрерывный экран Фарадея представляет собой полый проводник. Внешние или внутренние электромагнитные поля создают силы на носителях заряда (обычно электронах) внутри проводника; заряды соответственно перераспределяются за счет электростатической индукции . Перераспределенные заряды значительно снижают напряжение внутри поверхности, в зависимости от емкости; однако полной отмены не происходит. [4]

Внутренние сборы

Если заряд +Q поместить внутрь незаземленного экрана Фарадея, не касаясь стенок, внутренняя поверхность экрана становится заряженной -Q, что приводит к появлению силовых линий, возникающих у заряда и распространяющихся на заряды внутри внутренней поверхности металла. Траектории силовых линий во внутреннем пространстве (до конечных отрицательных зарядов) зависят от формы внутренних стенок оболочки. Одновременно +Q накапливается на внешней стороне щита. На распространение зарядов по внешней поверхности не влияет положение внутреннего заряда внутри оболочки, а скорее определяется формой внешней поверхности. Таким образом, по сути, щит Фарадея генерирует снаружи то же самое статическое электрическое поле, которое он создал бы, если бы металл был просто заряжен +Q. См. , например, эксперимент Фарадея с ведерком для льда , чтобы получить более подробную информацию о линиях электрического поля и отделении внешнего от внутреннего. Обратите внимание, что электромагнитные волны не являются статическими зарядами.

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

Внешние поля

Зависимость глубины скин-слоя 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 проникнуть через экран.

В случае изменяющихся электромагнитных полей, чем быстрее происходят 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.

Хорошее представление об эффективности экрана Фарадея можно получить, исходя из глубины скин-слоя . При глубине скин-слоя ток течет в основном по поверхности и экспоненциально затухает с глубиной через материал. Поскольку экран Фарадея имеет конечную толщину, это определяет, насколько хорошо он работает; более толстый экран может лучше ослаблять электромагнитные поля и доводить их до более низкой частоты.

Клетка Фарадея

Клетки Фарадея представляют собой щиты Фарадея с отверстиями, поэтому их сложнее анализировать. В то время как непрерывные экраны существенно ослабляют все длины волн, толщина скин-слоя которых в материале корпуса меньше толщины корпуса, отверстия в клетке могут пропускать более короткие волны или создавать « затухающие поля » (колебательные поля, которые не распространяются как ЭМ волны) сразу за поверхностью. Чем короче длина волны, тем лучше она проходит через сетку заданного размера. Таким образом, чтобы хорошо работать на коротких длинах волн (т. е. на высоких частотах), отверстия в клетке должны быть меньше длины волны падающей волны.

Примеры

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "Майкл Фарадей". Энкарта . Архивировано из оригинала 8 мая 2006 года . Проверено 20 ноября 2008 г.
  2. ^ Маскарт, Элеутер Эли Николя (1876). Traité d'électricité statique. Г. Массон. п. 95. Фарадей Кейдж Ноллет.
  3. ^ Краусс, JD (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 СИАМ . 57 (3): 398–417. дои : 10.1137/140984452.
  5. ^ «Понимание защиты от электромагнитных и радиочастотных помех для управления помехами». Цептех . Проверено 23 апреля 2020 г.
  6. ^ «Надежность становится главной проблемой в автомобилестроении» . Блог о пассивных компонентах . 12 февраля 2019 г. Проверено 23 апреля 2020 г.
  7. ↑ Хэмилл, Шон (22 декабря 2008 г.). «По мере падения экономики растет количество арестов за кражу в магазинах». Нью-Йорк Таймс . Проверено 12 августа 2009 г.
  8. ^ Проза, Марк. «Несовершенная система». Журнал ААРП . № апрель/май 2020. с. 6. с экраном Фарадея сделает бесполезными функции передачи и приема телефонов.
  9. ^ «УДАЛЕНО ДЛЯ ОБЩЕСТВЕННОЙ ПРОВЕРКИ: Отчет о состоянии оперативной группы по контрабанде телефонов» (PDF) . CTIA . 26 апреля 2019 г.

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы по теме клеток Фарадея .