Pomôžte rozvoju stránky a zdieľajte článok s priateľmi!
Faradayova klietka je jedným z tých vynálezov, ktoré si v bežnom živote často nevšímame. Ide o ochranný vodič (nazývaný štít) v kábli vašich slúchadiel, aby ste mohli počuť svoju obľúbenú hudbu a nerušili ju zo siete. Práve hliníkové telo lietadla zaisťuje bezpečnosť v prípade búrky počas letu. Toto je vnútro mikrovlnky, takže včerajšiu pizzu si môžete v kľude prihriať.
Faradayove klietky, Faradayove mreže, Faradayove štíty, Faradayove banky či elektromagnetické skrine - názvov je veľa a plnia mimoriadne dôležitú úlohu aj v oblasti ochrany dôležitých dát a informácií. Chránia pred vonkajšími elektromagnetickými poľami.
Táto klietka je vyrobená z vodivého materiálu. Preto neprepúšťa elektromagnetické vlny ani zvonku, ani zvnútra. Elektromagnetické vlny a elektrické prúdy sú nejakým spôsobom zachytené a cirkulujú okolo tienenia, ktorým je samotný článok.
A to všetko vďaka fenoménu, ktorý objavil v roku 1836 anglický fyzik a chemik Michael Faraday.
Popis a princíp fungovania Faradayovej klietky
V roku 1836 anglický fyzik Michael Faraday postavil do miestnosti kovovú obrazovku. Vnútri miestnosti umiestnil elektroskopy, ktorých úlohou bolo fixovať existenciu elektrického poľa vo vnútri takejto miestnosti. Výboje statickej elektriny mimo miestnosti podľa experimentátora nespôsobili výskyt elektrického poľa vo vnútri miestnosti.
Faradayova klietka je komora, ktorá pôsobí ako štít proti elektrostatickému poľu (obr. 1). Jeho názov pochádza z mena anglického vedca Michaela Faradaya. Faradayove klietky sa používajú na ochranu elektronických zariadení pred rušením alebo z bezpečnostných dôvodov.
Ryža. 1. Umelecká vízia Faradayovho experimentu
Princíp činnosti Faradayovej klietky je určený vlastnosťami vodičov v elektrickom poli. Ak umiestnite vodič do elektrického poľa, pole rozptýli voľné náboje vo vodiči. Náboje indukované na povrchu vodiča vytvoria vlastné elektrické pole, ktoré zruší vonkajšie pole.
Zvážte nasledujúci experiment. Hliníkovú plechovku (napríklad plechovku od nápojov) položíme k zdroju elektrického poľa, napríklad k elektricky nabitej ebonitovej tyčinke (obr. 2a). Plechovka je elektricky neutrálna, t.j. obsahuje rovnaký počet kladných a záporných nábojov.
Ryža. 2. Faradayova nádoba a fenomén elektrostatickej indukcie
Keď je však nádoba v elektrickom poli, dochádza k javu elektrostatickej indukcie.Voľné elektróny, ktoré majú záporný náboj, sa pohybujú v opačnom smere poľa, takže jedna strana nádoby sa nabije záporne a druhá strana sa nabije kladne (obr. 2b). Toto rozloženie nábojov vedie k vzniku elektrického poľa vo vnútri nádoby, ktoré je opačné ako vonkajšie pole, ktoré spôsobilo oddelenie nábojov. Výsledok oboch polí je nula, čo znamená, že oblasť vo vnútri nádoby je izolovaná od vonkajšieho elektrického poľa.
Ryža. 3. RF modulátor uzavretý v kovovom obale
Faradayove separátory môžu byť vo forme vodivého sita, kovového plášťa (napríklad plastové puzdro natreté vodivou farbou, obr. 3.) alebo mriežky tvoriacej uzavretú komoru (obr. 4.) . Bez ohľadu na formu však princíp účinku zostáva rovnaký: jav elektrostatickej indukcie spôsobuje nulové elektrické pole vo vnútri článku.
Ryža. 4. Kábel s kovovým opletením a fóliou na monitor počítača
Aplikácia
Je ťažké nájsť využitie pre Faradayovu klietku v predmetoch a veciach, ktoré používame v každodennom živote. Mnohé informácie však naznačujú, že kryt mikrovlnnej rúry počas prevádzky pripomína Faradayovu klietku. Rovnako ako v prípade klietky sa vlny určitej dĺžky odrážajú vo vnútri mikrovlnnej rúry, čo spôsobuje výrazné zvýšenie teploty, ale neprechádza mimo skrinky.
Ďalším zaujímavým príkladom jedného typu Faradayovej klietky je lietadlo. Pri údere blesku do lietadla prejde puzdrom elektrický prúd, ktorý vo vnútri puzdra indukuje magnetické pole a elektrické pole. Cestujúcim a cestujúcim, ktorí sú v tomto čase v lietadle, nehrozí bezprostredné riziko úderu blesku.
Ako môžete vidieť, takzvaná Faradayova klietka má mnoho využití.Pred takmer dvesto rokmi to bola len kuriozita, jedna z mnohých spojených s novou oblasťou poznania – elektrinou. Praktické uplatnenie našiel len vo vedeckom výskume, pri veľmi presných meraniach elektrických nábojov a elektrostatických polí.
Stojí za zmienku, že tieto klietky už desaťročia „chránia“ ľudí a predmety pred niektorými účinkami úderu blesku – často náhodne. V dvadsiatom storočí, keď sa automobily a lietadlá stali samozrejmosťou, sa im vďaka kovovej konštrukcii najčastejšie pripisovalo, že dokážu poskytnúť takúto „ochranu“. Treba však pripomenúť, že Faradayova klietka „chráni“ svoje vnútro pred výskytom elektrostatického poľa vo vnútri. Medzitým je výboj blesku sprevádzaný tokom veľmi silného elektrického prúdu; to vytvára elektromagnetické vlny. Faradayova klietka v tomto prípade plní svoju „ochrannú“ úlohu len čiastočne – záleží na detailoch jej konštrukcie a frekvencii elektromagnetickej vlny dopadajúcej na klietku.
Dnes sme v našom prostredí konfrontovaní s obrovským množstvom zdrojov elektromagnetických vĺn; hovoríme o „hluku“ a dokonca aj o „elektromagnetickom smogu“. Často sa zaoberáme ochranou týchto vĺn alebo izoláciou od nich. Faradayove klietky, zvyčajne vo forme uzavretých sietí z hustej sieťoviny, sa používajú na ochranu citlivých zariadení (napríklad diagnostických lekárskych, vedeckých) pred vonkajšími zdrojmi elektrických alebo elektromagnetických polí.
Pre informáciu: elektromagnetický smog je hovorový výraz pre elektromagnetické žiarenie rôznych frekvencií, súvisiace so spektrom neionizujúceho žiarenia, najčastejšie s rádiofrekvenčným rozsahom (300 kHz - 300 GHz). Pojem „elektromagnetický smog“ niektorí považujú za synonymum elektromagnetického žiarenia vychádzajúceho z umelého, t.j. umelých zdrojov, na rozdiel od elektromagnetického žiarenia pochádzajúceho z prírodných zdrojov.
Asi máte v kuchyni aj Faradayovu klietku - mikrovlnnú rúru. Dá sa to rozpoznať aj podľa mriežky v priehľadnom paneli. Klietka tam slúži na ochranu pred mikrovlnnými lúčmi, ktoré majú ohrievať vaše jedlo.
Faradayove separátory sa veľmi často používajú v elektrotechnike. Najmä v oblasti EMC (elektromagnetická kompatibilita), kde je cieľom chrániť signály pred vonkajšími vplyvmi alebo interferenčnými signálmi. Napríklad kovové púzdra okolo dosiek plošných spojov, alebo kovové oplety okolo rôznych káblov.
Existuje aj mnoho spätných aplikácií: zariadenia, ktoré vyžarujú elektromagnetické vlny ako vedľajší efekt svojej práce, sú uzavreté vo Faradayových klietkach, keď nechceme, aby vlny, ktoré vyžarujú, dosiahli iné zariadenia. Môžeme sa chcieť vyhnúť rušeniu (napríklad keď je televízor poháňaný motorom vysávača) alebo blokovať „elektromagnetické počúvanie“, t.j.e) prístup tretích strán k externým zariadeniam k informáciám vysielaným - ako vedľajší efekt - počas normálnej prevádzky nášho zariadenia (napríklad bežiaceho počítača). V takýchto prípadoch uzamkneme „vysielacie“ zariadenie do Faradayovej klietky.