Великий английский ученый Майкл Фарадей известен всему миру, как первооткрыватель , изобретатель электродвигателя, трансформатора и многих других устройств, не потерявших своей актуальности до настоящего времени. Одно из них, изобретенное еще в середине 19 века, известно, как клетка Фарадея.

Устройство и принцип работы

Данное устройство получило свое название в связи с тем, что для первых экспериментов была использована металлическая клетка, материал которой отличался высокой электропроводностью. Такая конфигурация сохранилась и до настоящего времени. Толщина используемого материала делает клетку настолько мощной и эффективной, насколько это необходимо в каждом конкретном случае. На эти показатели влияет соотношение размера ячейки к длине волны внешнего поля.

Принцип действия устройства и ее эффект довольно простой. При попадании клетки под действие электрического поля, начинается движение свободных электронов внутри ее металлических конструкций. Они начинают собираться вместе, образуя определенную конфигурацию. В противоположных стенках конструкции образуются разноименные заряды, под действием которых создается новое поле с направлением, противоположным внешнему полю.

Это вновь образованное поле образует противодействие внешним электромагнитным полям и компенсирует их влияние. В результате, внутри клетки нет каких-либо электрических полей или шумов. Иногда клетка фарадея как накопитель энергии рассматривается чисто теоретически, поскольку электричество не задерживается в конструкции на длительный срок.

Для проверки этих физических явлений нужно взять два электроскопа и поместить один из них внутри, а другой - снаружи клетки. Соответственно, первый прибор ничего не покажет, а второй - зафиксирует наличие электрических зарядов. Данная проверка необходима, если потребуется сделать устройство своими руками.

В отличие от электрического, постоянное магнитное поле практически беспрепятственно проникает внутрь клетки. Переменное не может проникнуть сюда таким же образом, поскольку оно просто не успевает возникнуть из-за экранирования клеткой переменного электрического поля. Следовательно, клетка Фарадея может защитить от любых внешних воздействий - электрических и электромагнитных.

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 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.

Самостоятельное изготовление устройства

Изготовить клетку Фарадея своими руками из наиболее подходящих предметов довольно просто. Иногда можно заранее рассчитать устройство под известную заранее длину волны. Это можно сделать вручную или использовать специальный онлайн-калькулятор, в который вводятся необходимые исходные данные. После выполнения расчета можно выбирать наиболее подходящую конструкцию.

Само устройство возможно сделать из уже готовой клетки. Самое главное, чтобы размеры ячеек соответствовали расчетным данным. При ее отсутствии подойдут любые предметы, имеющие герметичный корпус, а также проводящий слой снаружи и непроводящий внутри. Внутреннюю диэлектрическую часть при ее отсутствии можно сделать из картона, дерева, бумаги и других аналогичных материалов.

В другом случае при изготовлении клетки своими руками берется предмет, изготовленный из диэлектрика, который оборачивается фольгой или другими проводящими материалами. Защитный эффект во всех случаях будет один и тот же.

Спрячьте ваш сотовый телефон или смартфон от мира, заблокировав любые входящие и исходящие радиочастоты при помощи кармана Фарадея. Подобные чехлы и сумки уже появились в продаже в магазинах для гиков и на Кикстартере под лозунгом «Защити данные от взлома». Упакованный в подобный чехол, ваш девайс больше незасекаем для любых WiFi, GPS, Bluetooth, ГЛОНАСС и для самого поставщика услуг связи, т. е. оператора.

Также подобный карман - отличный способ мгновенно «заткнуть» ваш телефон по необходимости: например, если вы находитесь в кинотеатре, в засаде (шутка) или просто хотите прекратить назойливые звонки от некоей личности.

Для этого вам надо просто проложить карман брюк (или другой подходящей одежды) специальной тканью с мелким металлическим плетением в ней, и карман сможет отражать любые входящие сигналы и впитывать энергию. Эффект защиты чего-либо посредством токопроводящей ткани также называется «Клетка Фарадея» (по имени ученого, клетку изобретшего, Майкла Фарадея), от чего пошло название и карманов, сумок, чехлов.

Сшить нечто подобное своими руками - раз плюнуть. К тому же для пытливых умов это забавный научный эксперимент с электрическим полем. Токопроводящую ткань легко найти в продаже в Рунете. Выбирайте рипстоп (укрепленная ткань) с плетением из никеля/меди: у такой ткани высокий рейтинг экранирования и с ней легче всего работать. И помните, что для требуемого эффекта слой подобной ткани не обязан быть толстым, что облегчает дело.

1. Выберите пару брюк, которые вам не жалко переделать. Резать одежду не придется, так что вы их не испортите: выбирайте те, что вы носите чаще всего, либо просто обшейте подобным образом карманы у нескольких пар. Кому-то актуально будет обшить токопроводящей тканью оба кармана, но помните, что вам нужно и обычное место, чтобы носить нормально работающий мобильный телефон.

2. Выворачиваем брюки наизнанку, расправляем один карман и подкладываем под него край токопроводящей ткани. Оптимально, чтобы карман уместился полностью - от швов, скрепляющих его с брюками до нижних швов самого кармана. Маркером для ткани или чем угодно еще (от ручки до мелка или заостренного кусочка мыла) обводим карман на токопроводящей ткани.

3. Вытаскиваем ткань, складываем ее так, чтобы на обведенной области получить 2 слоя материала, скалываем в этом месте ткань булавками и вырезаем 2 стороны для кармана - с припусками по всему периметру в 1,5-2 см.

4. Вынимаем булавки, кладем по одной вырезанной детали из материала на каждую сторону кармана, закрывая последний токопроводящей тканью полностью. Булавками скалываем оба слоя ткани и карман вместе, чтобы все отлично держалось, где положено.

5. Швейную машинку заправляем обычными крепкими нитками и выставляем меньшую (максимум среднюю) длину шага обычного прямого шва. По периметру с отступом от края в 1,5-2 см сшиваем края кармана и оба куска токопроводящей ткани, где получится. Остальные - труднодоступные - места дошиваем иголкой с ниткой вручную. Сверху поперек кармана!также прошиваем карман насквозь! Т. е. сшиваем вместе все 4 слоя: 2 стороны кармана и верх 2-х кусков токопроводящей ткани, оставляя лишь маленькое отверстие, чтобы класть и вытаскивать телефон (но и делать это без особого труда, т. к. вы можете порвать карман пальцами).

Небольшие отверстия в кармане/чехле/сумке Фарадея оставлять можно - до тех пор, пока они малы относительно длины падающей электромагнитной волны. К примеру, волна 1 Ггц обладает длиной 0,3 метра в свободном пространстве. И пока отверстие значительно меньше, чем этот размер (например, несколько миллиметров), оно не пропустит большое количество падающей волны. Поэтому оставшееся в кармане отверстие под телефон необходимо заделывать - например, токопроводящей изолентой или можно, одновременно сшивая попарно свой слой ткани и одну сторону кармана, вшить внутрь кармана липучку по всей ширине отверстия сверху. Но можно и не вшивать и не вклеивать, т. к. на джинсах, например, плотная ткань и так будет держать края кармана сведенными.

Для наилучшего результата телефон в кармане должен всегда быть полностью закрыт токопроводящей тканью. Но сунули руку в карман без липучки или просто нагнулись/присели - и все, сигнал опять начнет проходить.

Сумка/чехол

В отношении отверстий и надежности гораздо лучше по аналогии (токопроводящая ткань плюс плотная ткань просто чтобы чехол был крепким) сшить для любого вашего девайса - будь то смартфон или планшет - чехол или сумку на липучках, проходящих по всему открытому краю со всех сторон.

Фарадей. Электромагнитная индукция [Наука высокого напряжения] Кастильо Сержио Рарра

КЛЕТКА ФАРАДЕЯ И ДИЭЛЕКТРИКИ

КЛЕТКА ФАРАДЕЯ И ДИЭЛЕКТРИКИ

Если бы мы могли перенестись в Королевский институт в конце 1835 года, мы бы увидели Фарадея, погруженного в конструирование необычного гигантского приспособления. Оно было настолько огромным, что его пришлось переместить в лекционный зал института: размеры лаборатории в подвале не могли вместить огромный деревянный каркас, покрытый алюминиевыми листами. Несведущий наблюдатель, вероятно, решил бы, что Фарадей конструирует какой-нибудь вид оружия, что-то вроде боевого танка. Может быть, это было похожим на клетку для фантастического существа, заземленную и подсоединенную к электростатическому генератору. Но внутри нее был только сам Фарадей, он сидел там в ожидании, пока его ассистент, сержант Чарльз Андерсон, подаст заряд на клетку, и от нее полетят искры.

Эксперимент несколько напоминал книгу о докторе Франкенштейне, когда его изуродованный помощник подключал электрический аппарат, чтобы вернуть тело к жизни. Однако Фарадей не ожидал получить от электричества никакой живительной силы. Он надеялся на обратное - не произойдет вообще ничего - и достиг этого: даже самые точные измерительные аппараты не смогли обнаружить никаких электрических эффектов внутри клетки, как будто она ограждала сидящего внутри от искрящего повсюду электричества.

Эта система экранирования получила название клетки Фарадея и в последующем начала использоваться для защиты чувствительных инструментов от радио- или электромагнитных явлений. Например, обычный лифт, если он представляет собой закрытый металлический ящик, может иметь свойства клетки Фарадея, поэтому часто в лифте не работает мобильная связь. В микроволновках также используется принцип клетки Фарадея для того, чтобы волны не проникали наружу. Самолеты также функционируют по этому принципу: если молния попадет в самолет, пассажиры останутся невредимы.

В эксперименте, несмотря на то что электростатический генератор подавал ток высокого напряжения, никто и ничто в клетке не подвергалось действию электричества. Для проверки того, что внутри клетки не было электрических зарядов, Фарадей использовал электроскоп - инструмент, позволяющий обнаруживать и измерять заряд отдельного тела. Электроскоп показал, что на внутренних стенках клетки заряд не обнаруживается.

Клетка Фарадея при отсутствии электрического поля (слева); заряженные частицы на стенке клетки Фарадея отвечают на приложение электрического поля (в центре); электрические поля внутри стенки устраняют приложенное электрическое поле, нейтрализуя внутреннее пространство клетки (справа).

Принцип работы клетки Фарадея относительно прост (см. схему). Сама клетка - из металла и работает как полый проводник. Когда на нее действует внешнее электромагнитное поле, положительные заряды остаются на поверхности, а отрицательные - электроны - свободно перемещаются по металлу в противоположном направлении по отношении к электрическому полю. На одной стороне клетки собираются электроны, с другой стороны образуется их недостаток. При поляризации проводника генерируется внутреннее электрическое поле такой же величины, но противоположное по направлению внешнему полю, поэтому сумма полей внутри проводника равна нулю. Силы нейтрализуют сами себя. Благодаря явлению электростатического экранирования ни один заряд не может пройти через клетку, так как внутри нее поле отсутствует.