Клетка Фарадея: описание, принцип работы, применение

Клетка Фарадея – одно из тех изобретений, которые мы часто не замечаем в повседневной жизни. Это защитный проводник (так называемый экран) в шнуре ваших наушников, чтобы вы могли слышать любимую музыку, а не помехи от электросети. Именно алюминиевый корпус самолета обеспечивает безопасность в случае грозы во время полета. Это внутренняя часть микроволновой печи, так что вы можете спокойно разогревать вчерашнюю пиццу.

Клетки Фарадея, решетки Фарадея, щиты Фарадея, банки Фарадея или электромагнитные кабины – названий много, и они также выполняют чрезвычайно важную задачу в области обеспечения безопасности важных данных и информации. Они защищают от воздействия внешних электромагнитных полей.

Такая клетка изготавливается из токопроводящего материала. Поэтому она не пропускает электромагнитные волны ни снаружи, ни изнутри. Электромагнитные волны и электрические токи определённым образом задерживаются и циркулируют вокруг экранирования, которым является сама клетка.

И все благодаря явлению, открытому в 1836 году английским физиком и химиком Майклом Фарадеем.

Описание и принцип действия клетки Фарадея

В 1836 году английский физик Майкл Фарадей выстроил в комнате металлический экран. Внутри комнаты он разместил электроскопы, задачей которых было зафиксировать существование электрического поля внутри такой комнаты. Разряды статического электричества вне помещения, по предположению экспериментатора, не вызывали появления электрического поля внутри помещения.

Клетка Фарадея – это камера, которая действует как экран против электростатического поля (рис. 1). Его название происходит от имени английского ученого Майкла Фарадея. Клетки Фарадея используются для защиты электронных устройств от помех или в целях безопасности.

Художественное видение опыта Фарадея
Рис. 1. Художественное видение опыта Фарадея

Принцип действия клетки Фарадея обусловлен свойствами проводников в электрическом поле. Если поместить проводник в электрическое поле, то поле рассеет свободные заряды в проводнике. Заряды, индуцированные на поверхности проводника, создадут собственное электрическое поле, которое аннулирует внешнее поле.

Рассмотрим следующий эксперимент. Мы помещаем алюминиевую банку (например, банку из-под напитков) рядом с источником электрического поля, например, электрически заряженной эбонитовой палочкой (рис. 2a). Банка электрически нейтральна, т.е. содержит одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов.

Банка Фарадея и явление электростатической индукции
Рис. 2. Банка Фарадея и явление электростатической индукции

Однако, когда банка находится в электрическом поле, возникает явление электростатической индукции. Свободные электроны, имеющие отрицательный заряд, движутся противоположно направлению поля, так что одна сторона банки становится отрицательно заряженной, а другая – положительно заряженной (рис. 2b). Такое распределение зарядов приводит к возникновению внутри банки электрического поля, противоположного внешнему полю, вызвавшему разделение зарядов. Результирующее обоих полей равно нулю, что означает, что область внутри банки изолирована от внешнего электрического поля.

Радиочастотный модулятор, заключенный в металлическую оболочку
Рис. 3. Радиочастотный модулятор, заключенный в металлическую оболочку

Сепараторы Фарадея могут иметь форму проводящего экрана, металлической оболочки (например, пластиковый корпус, окрашенный проводящей краской, рис. 3.) или сетки, образующей закрытую камеру (рис. 4.). Однако, независимо от формы, принцип действия остается неизменным: явление электростатической индукции вызывает нулевое электрическое поле внутри клетки.

Кабель с металлической оплеткой и фольгой для компьютерного монитора
Рис. 4. Кабель с металлической оплеткой и фольгой для компьютерного монитора

Применение

Трудно найти применение клетке Фарадея в предметах и вещах, которые мы используем в повседневной жизни. Однако много информации указывает на то, что корпус микроволновой печи напоминает клетку Фарадея в процессе ее работы. Как и в случае с клеткой, внутри микроволновой печи отражаются волны определенной длины, это вызывает значительное повышение температуры, но не выходит за пределы корпуса.

Другим интересным примером одного из типов клетки Фарадея является самолет. Когда молния ударяет в самолет, через корпус проходит электрический ток, который индуцирует магнитное поле и электрическое поле внутри корпуса. Путешественники и пассажиры, находящиеся в это время в самолете, не подвергаются непосредственной опасности от удара молнии.

Как видите, так называемая клетка Фарадея имеет множество применений. Почти двести лет назад она была всего лишь диковинкой, одной из многих, связанных с новой областью знаний – электричеством. Практическое применение она нашла только в научных исследованиях, в очень точных измерениях электрических зарядов и электростатических полей.

Стоит отметить, что в течение десятилетий такие клетки “защищали” людей и предметы от некоторых последствий ударов молнии – часто случайно. В двадцатом веке, когда автомобили и самолеты стали обычным явлением, им чаще всего приписывали способность обеспечивать такую “защиту”, благодаря их металлической конструкции. Однако следует помнить, что клетка Фарадея “защищает” свою внутреннюю часть от возникновения внутри нее электростатического поля. Между тем, разряд молнии сопровождается протеканием очень сильного электрического тока; при этом возникают электромагнитные волны. В этом случае клетка Фарадея лишь частично выполняет свою “защитную” роль – это зависит от деталей ее конструкции и частоты электромагнитной волны, падающей на клетку.

Сегодня мы сталкиваемся с огромным количеством источников электромагнитных волн в нашей окружающей среде; мы говорим о “шуме” и даже об “электромагнитном смоге”. Мы часто озабочены тем, чтобы экранировать эти волны или изолировать себя от них. Клетки Фарадея, обычно в виде закрытых экранов из плотной сетки, используются для защиты чувствительной аппаратуры (например, диагностической медицинской, научной) от внешних источников электрических или электромагнитных полей.

Для справки: электромагнитный смог – это разговорный термин для обозначения электромагнитного излучения различных частот, относящегося к спектру неионизирующего излучения, чаще всего относящегося к диапазону радиочастот (300 кГц – 300 ГГц). Термин “электромагнитный смог” некоторые считают синонимом электромагнитного излучения, исходящего из искусственных, т.е. созданных человеком, источников, в отличие от электромагнитного излучения, исходящего из естественных источников.

Вероятно, у вас также есть клетка Фарадея на кухне – микроволновая печь. Его можно узнать даже по решетке в прозрачной панели. Клетка используется там для экранирования микроволновых лучей, которые должны разогреть вашу пищу.

Сепараторы Фарадея очень часто используются в электротехнике. Особенно в области ЭМС (электромагнитной совместимости), где целью является защита сигналов от внешних воздействий или сигналов помех. Например, металлические корпуса используются вокруг печатных плат, или металлические оплетки вокруг различных кабелей.

Существует также множество обратных применений: устройства, излучающие электромагнитные волны в качестве побочного эффекта своей работы, заключаются в клетки Фарадея, когда мы не хотим, чтобы излучаемые ими волны достигли других устройств. Мы можем захотеть избежать помех (например, при работе телевизора от электродвигателя пылесоса) или заблокировать “электромагнитное прослушивание”, т.е. доступ третьих лиц внешних устройств к информации, излучаемой – в качестве побочного эффекта – во время нормальной работы нашего устройства (например, работающего компьютера). В таких случаях мы запираем “передающее” устройство в клетке Фарадея.