Клетка Фарадея

Клетка Фарадея или щит Фарадея — это оболочка, используемая для блокировки некоторых 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 их в 1836 году. ^[1]

Видео клетки Фарадея, защищающей человека от электричества

Клетки Фарадея работают, потому что внешнее электрическое поле вызывает распределение электрических зарядов внутри проводящего материала клетки таким образом, что компенсируется влияние поля внутри клетки. 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 , поскольку клетка проводит электрический 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 «Лекциях по экспериментальной физике» . ^[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 аналогично клетке или щиту Фарадея. ^[3]^{[ не удалось пройти проверку ]}

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. он С помощью электроскопа показал, что внутри стен комнаты нет электрического заряда.

Операция

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

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.

Хороший пример эффективности экрана Фарадея можно получить из рассмотрения 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

Клетки Фарадея обычно используются в аналитической химии для снижения шума при проведении чувствительных измерений.
Клетки Фарадея, а точнее мешки Фарадея с двойным парным швом, часто используются в цифровой криминалистике для предотвращения удаленного стирания и изменения цифровых доказательств уголовных преступлений.
Сумки Фарадея — это портативные контейнеры, изготовленные из металлических материалов, которые используются для хранения устройств с целью защиты их от электромагнитных передач для широкого спектра применений: от повышения цифровой конфиденциальности сотовых телефонов до защиты кредитных карт от скимминга RFID .
США и НАТО Стандарты Tempest , а также аналогичные стандарты в других странах включают клетки Фарадея как часть более широких усилий по обеспечению безопасности излучения для компьютеров.
Пассажирские салоны автомобилей и самолетов по сути представляют собой клетки Фарадея, защищающие пассажиров от электрических зарядов, например, от молнии.
В электронных компонентах автомобилей и самолетов используются клетки Фарадея для защиты сигналов от помех. К чувствительным компонентам могут относиться беспроводные дверные замки, системы навигации/GPS и системы предупреждения о выезде за пределы полосы движения . Клетки и экраны Фарадея также имеют решающее значение для информационно-развлекательных систем транспортных средств (например, радио, Wi-Fi и GPS-дисплеев), которые могут быть спроектированы с возможностью функционировать в качестве критически важных цепей в чрезвычайных ситуациях. ^[5]^[6]
Бустер -сумка (сумка для покупок, выстланная алюминиевой фольгой ) действует как клетка Фарадея. Его часто используют магазинные воры для кражи предметов с RFID -метками. ^[7] Подобные контейнеры используются для защиты от RFID-скимминга .
Лифты и другие помещения с металлическими проводящими каркасами и стенами имитируют эффект клетки Фарадея, приводящий к потере сигнала и «мертвым зонам» для пользователей сотовых телефонов , радиоприемников и других электронных устройств, которым требуются внешние электромагнитные сигналы. Во время обучения пожарных и других лиц, оказывающих первую помощь, предупреждают, что их радиостанции двусторонней связи, вероятно, не будут работать внутри лифтов, и на это следует делать поправку.
Небольшие физические клетки Фарадея используются инженерами-электронщиками во время тестирования оборудования, чтобы имитировать такую среду и убедиться, что устройство корректно справляется с этими условиями. ^{[ нужна ссылка ]}
Правильно сконструированная проводящая одежда также может образовывать защитную клетку Фарадея. Некоторые электромонтажники носят костюмы Фарадея, которые позволяют им работать на высоковольтных линиях электропередачи без риска поражения электрическим током. Костюм предотвращает прохождение электрического тока через тело и не имеет теоретического ограничения по напряжению. Линейщики успешно проработали даже линии самого высокого напряжения ( Казахстанская линия 1150 кВ Экибастуз-Кокшетау). ^{[ нужна ссылка ]}
Кабинет сканирования аппарата магнитно-резонансной томографии (МРТ) выполнен в виде клетки Фарадея. Это предотвращает добавление внешних радиочастотных сигналов к данным, полученным от пациента, что могло бы повлиять на полученное изображение. Технологи обучены выявлять характерные артефакты, возникающие на изображениях, в случае повреждения клетки Фарадея, например, во время грозы .
В микроволновой печи используется частичный экран Фарадея (на пяти из шести внутренних сторон) и частичная клетка Фарадея, состоящая из проволочной сетки, на шестой стороне (прозрачное окно), чтобы удерживать электромагнитную энергию внутри печи и защищать пользователя от воздействия микроволнового излучения. ^[8]
Пластиковые пакеты, пропитанные металлом, используются для размещения электронных устройств взимания платы за проезд , когда плата за проезд не взимается с этих устройств, например, во время транзита или когда пользователь платит наличными. ^{[ нужна ссылка ]}
Экран экранированного кабеля , например кабеля USB или коаксиального кабеля, используемого для кабельного телевидения, защищает внутренние проводники от внешних электрических помех и предотвращает утечку радиочастотных сигналов.
Электронные компоненты некоторых музыкальных инструментов, например электрогитары , защищены клетками Фарадея, изготовленными из медной или алюминиевой фольги, которые защищают электромагнитные датчики инструмента от помех со стороны динамиков, усилителей, сценического освещения и другого музыкального оборудования.
Некоторые здания, например тюрьмы, построены как клетка Фарадея, потому что у них есть причины блокировать как входящие, так и исходящие звонки заключенных по сотовым телефонам. ^[9]^[10] Выставочный зал обсерватории Грин-Бэнк представляет собой клетку Фарадея, предотвращающую вмешательство в работу радиотелескопов . ^[11]

См. также

Ссылки

^ «Майкл Фарадей» . Энкарта . Архивировано из оригинала 8 мая 2006 года . Проверено 20 ноября 2008 г.
^ Маскар, Элетер Эли Николя (1876). Трактат о статическом электричестве . Г. Массон. п. 95 . Фарадей Кейдж Ноллет.
^ Краусс, JD (1992) Электромагнетизм , 4-е изд., McGraw-Hill. ISBN 0-07-035621-1
^ Чепмен, С. Джонатан; Хьюитт, Дэвид П.; Трефетен, Ллойд Н. (2015). «Математика клетки Фарадея» (PDF) . Обзор СИАМ . 57 (3): 398–417. дои : 10.1137/140984452 .
^ «Понимание защиты EMI/RFI для управления помехами» . Цептех . Проверено 23 апреля 2020 г.
^ «Надежность становится главным приоритетом в автомобилестроении» . Блог о пассивных компонентах . 12 февраля 2019 г. Проверено 23 апреля 2020 г.
^ Хэмилл, Шон (22 декабря 2008 г.). «По мере падения экономики растет количество арестов за кражи в магазинах» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 12 августа 2009 г.
^ «Что предотвращает утечку микроволнового излучения через дверцу духовки?» . Прямой наркотик . 4 ноября 2003 г. Проверено 1 июня 2024 г.
^ Проза, Марк. «Несовершенная система». Журнал ААРП . № апрель/май 2020. с. 6. с экраном Фарадея сделает бесполезными функции передачи и приема телефонов.
^ «УДАЛЕНО ДЛЯ ОБЩЕСТВЕННОЙ ПРОВЕРКИ: Отчет о состоянии оперативной группы по контрабанде телефонов» (PDF) . CTIA . 26 апреля 2019 г.
^ «Предложения научного центра на 2023 год» . Обсерватория Грин Бэнк . Проверено 6 мая 2024 г.

Внешние ссылки

[Encarta-1] «Майкл Фарадей» . Энкарта . Архивировано из оригинала 8 мая 2006 года . Проверено 20 ноября 2008 г.

[2] Маскар, Элетер Эли Николя (1876). Трактат о статическом электричестве . 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 EMI/RFI для управления помехами» . Цептех . Проверено 23 апреля 2020 г.

[6] «Надежность становится главным приоритетом 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 кражи в магазинах» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 12 августа 2009 г.

[8] «Что предотвращает утечку микроволнового излучения через дверцу духовки?» . Прямой наркотик . 4 ноября 2003 г. Проверено 1 июня 2024 г.

[9] Проза, Марк. «Несовершенная система». Журнал ААРП . № апрель/май 2020. с. 6. с экраном Фарадея сделает бесполезными функции передачи и приема телефонов.

[10] «УДАЛЕНО ДЛЯ ОБЩЕСТВЕННОЙ ПРОВЕРКИ: Отчет о состоянии оперативной группы по контрабанде телефонов» (PDF) . CTIA . 26 апреля 2019 г.

[11] «Предложения научного центра на 2023 год» . Обсерватория Грин Бэнк . Проверено 6 мая 2024 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

v т и Майкл Фарадей
Физика	Закон индукции Фарадея Эффект Фарадея Клетка Фарадея постоянная Фарадея Лошадь Кубок Фарадея Законы электролиза Фарадея Парадокс Фарадея ротатор Фарадея Эффект эффективности Фарадея Волна Фарадея Эксперимент Фарадея с ведром для льда Эффективность Фарадея Электрохимия диск Фарадея Силовая линия
Лекции	Рождественские лекции Королевского института Химическая история свечи
Связанный	Мемориал Майкла Фарадея Здание Фарадея Здание Фарадея (Манчестер) Фарадей (кратер) Фарадей Будущее Медаль Фарадея ИЭПП Премия Лондонского королевского общества Майкла Фарадея Медаль и премия Института физики Майкла Фарадея Медаль Фарадея (электрохимия) Премия Фарадея за лекции
Категория:Майкл Фарадей