Jak zbudować klatkę Faradaya?

Elektryczność może być niebezpieczna, ale podjęcie odpowiednich środków ostrożności może pozwolić ci zbadać, jak przepływają ładunki, jak powstają pola elektryczne i jak działają inne zjawiska w elektryczności.

Od zarania elektryczności w fizyce naukowcy używali sprzętu do ochrony przed szkodami podczas przeprowadzania eksperymentów. Ta wiedza pozwoliłaby stworzyć klatki Faradaya jako metody zapobiegania zranieniu ludzi przez elektryczność.

•••Syed Hussain Ather

​Klatki FaradayalubTarcze Faradayablokować pola elektromagnetyczne za pomocą materiałów przewodzących na ich powierzchni, aby przekierować fale elektromagnetyczne. Zewnętrzne pole elektryczne powoduje, że ładunki elektryczne w materiale klatki zmieniają się w sposób rozłożone w stosunku do indukcji elektrostatycznej, aby zapobiec przedostawaniu się pola do wnętrza klatka szybowa.

Chociaż nie mogą blokować wolno zmieniających się pól magnetycznych, takich jak ziemskie, klatki Faradaya są używane do: tworzyć pomieszczenia otoczone metalowymi siatkami lub blachami perforowanymi, aby zapobiec prądom elektromagnetycznym wstępowanie.

• Klatki Faradaya zapobiegają wnikaniu lub ucieczce pól elektromagnetycznych i mogą być zbudowane z aluminium lub substancji metalicznych. Mogą być wykonane z prostych materiałów, w tym drutu metalowego i kartonu lub drewna.

Kiedy zewnętrzne pole elektryczne wchodzi w kontakt z klatką, klatka generuje takie samo pole elektryczne, jak gdyby ładunek został umieszczony w środku. Powierzchnia jest neutralizowana nadmiarem ładunku spływającego na ziemię, jeśli klatka jest uziemiona. Zapobiega to tworzeniu się napięcia po drugiej stronie klatki, dzięki czemu pole nie przechodzi przez materiał. Ładunki redystrybuowały się po drugiej stronie materiału, gdy na powierzchni indukowane są ładunki elektrostatyczne.

Ta metoda budowania klatki Faradaya wymaga metalowych arkuszy miedzi lub aluminium, taśmy, nożyczek, pojemnika z tektury lub podobnego materiału oraz balonu, aby sprawdzić, czy klatka działa. Materiałem, który najlepiej się sprawdza, jest drut aluminiowy, miedziany lub drobiowy na klatkę Faradaya. Klatki Faradaya wymagają dużego kontaktu między metalowymi elementami, aby konstrukcja z siatki mogła dobrze działać.

Uformuj pojemnik w tarczę Faradaya lub klatkę, zamieniając ją na przykład w pudełko, które może chronić cię przed otoczeniem. Owiń pojemnik folią lub metalowymi arkuszami. Upewnij się, że klatka ma duży kontakt między arkuszami metalu.

Wytnij ekran, aby z wnętrza klatki widzieć na zewnątrz. Upewnij się, że otwory są mniejsze niż długość fali promieniowania elektromagnetycznego, które chcesz zablokować przed wejściem.

Oto kilka ogólnych instrukcji:

1. Odmierz kwadratową siatkę metalową o wymiarach 10 x 10 cali i wytnij ją.
2. Podobnie wytnij pięć 8-calowych kawałków drewna lub tektury.
3. Zszyj, zaklej taśmą lub w inny sposób przymocuj metalową siatkę do drewna lub kartonu.
4. Połącz paski wokół siatki w odległości około 5 do 6 cali od siebie, aby zakryły lub otoczyły całą siatkę.
5. Uformuj materiał w pudełko lub pojemnik, aby stworzyć klatkę Faradaya.

Spróbuj użyć telefonu komórkowego w klatce. Czy odbiera lub przesyła sygnały Wi-Fi? Nadal powinieneś uzyskać słabszą ilość Wi-Fi, ponieważ klatki Faradaya mogą tłumić częstotliwość telefonów komórkowych, ale nie całkowicie go zatrzymać.

Fale radiowe używane przez telefony komórkowe mają wystarczająco małe częstotliwości, aby przenikać przez małe otwory w klatce, więc trzeba by lutować lub spawać małe szczeliny w klatce Faradaya, aby przeciwdziałać im.

Chemicy używają klatek Faradaya, aby zredukować hałas ze źródeł zewnętrznych, jednocześnie dokonując precyzyjnych pomiarów. Naukowcy zajmujący się techniką kryminalistyczną wykorzystują torby Faradaya, klatki Faradaya wykonane z elastycznej metalowej tkaniny, aby zapobiec zdalnemu wycieraniu i zmianie dowodów kryminalnych.

Klatki Faradaya zapewniają ochronę komputerów, aby udaremnić działania, takie jak szpiegowanie. Samochody i samoloty działają zasadniczo jak klatki Faradaya, uniemożliwiając pasażerom kontakt ze szkodliwymi ładunkami elektrycznymi.

Klatki Faradaya są również stosowane w zapobieganiu zakłócaniu nadajników radiowych w innym sprzęcie oraz ochronie osób i przedmiotów przed prądami uderzeń piorunów i wyładowaniami. Używają ich również urządzenia gospodarstwa domowego. Mikrofale mają osłony zapobiegające wydostawaniu się fal z ich wnętrza, podczas gdy kable telewizyjne redukują zewnętrzne zakłócenia elektromagnetyczne w celu tworzenia obrazów.

Różne przewodnictwo metali może wpływać na sposób, w jaki klatki Faradaya zapobiegają przedostawaniu się pól elektrycznych. Miedź jest najskuteczniejszą, wykorzystywaną w szpitalnych urządzeniach MRI i urządzeniach komputerowych, z której można formować mosiądz i stopy brązu fosforowego do jeszcze bardziej specyficznych celów.

Aluminium jest również dobrym materiałem, ponieważ jest mocne ze względu na swoją wagę i ma wysoką przewodność, ale z czasem może rdzewieć i nie jest dobrze lutowane. Inne cechy w projektowaniu klatek Faradaya obejmują cenę, korozję, grubość, plastyczność, zablokowane częstotliwości i sposób, w jaki same materiały mogą być uformowane w klatkę.

•••Syed Hussain Ather

Klatki Faradaya chronią ich wnętrze przed polami elektrycznymi, polem sił otaczającym naładowane cząstki, takie jak protony czy elektrony. Do opisu siły elektrycznej można użyć prawa Coulombamitak jak

w którymrjest promieniem między naładowanymi cząstkami,ε​₀ jest stałą liczbą przenikalności próżniowej 8,854 × 10⁻¹² F⋅m⁻¹ imi₁ mi​​₂są ładunki cząstek.

Gdy znajduje się w klatce, wszelki prąd elektryczny, który wchodzi w kontakt z zewnętrzną powierzchnią, może być mierzony za pomocą tego wzoru. Pole netto wewnątrz klatki pozostaje zerowe, chroniąc wszystko, co znajduje się w klatce.

Ładunki w przewodniku, takim jak materiał przewodzący klatki Faradaya, w równowadze powinny być jak najdalej od siebie oddalone, aby ładunek pozostawał na powierzchni. To utrzymuje pole elektryczne w granicach zera. Jeśli wyniesiesz dodatnio naładowany przedmiot na zewnątrz klatki, elektrony na wewnętrznej powierzchni zgromadzą się wokół niego, aby go zlikwidować.

Gdybyś wyobrażał sobie siebie w domu z klatkami Faradaya, mógłbyś użyć różnych materiałów, aby chronić się przed zakłóceniami elektromagnetycznymi.

Miedź jest najbardziej niezawodnym elementem do zastosowań w obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego (MRI) w medycynie, aby chronić ludzi przed szkodliwym działaniem promieniowania elektromagnetycznego. Można go również łatwo łączyć z innymi pierwiastkami, tworząc stopy, takie jak mosiądz, brąz fosforowy i miedź berylowa, które mają wyższe wartości przewodnictwa.

Stal pokryta cyną jest tanim materiałem, który blokuje przenikanie niższych częstotliwości. Stal węglowa to kolejny idealny wybór, który może blokować częstotliwości, których brakuje innym stopom i pierwiastkom. Materiały te często są cynowane, aby zapobiec ich korozji.

Wiadomo, że stop miedzi jest odporny na korozję. Aluminium to kolejny idealny wybór, który trzeba zbadać pod kątem korozji galwanicznej i utleniania właściwości, mogą służyć do różnych zastosowań ze względu na dobry stosunek wytrzymałości do masy i dużą ilość przewodność.

•••Syed Hussain Ather

W 1836 roku fizyk Michael Faraday zaobserwował, że naładowany przewodnik gromadzi nadmiar ładunku wewnątrz samego materiału, a nie we wnęce, w której przewodnik jest zamknięty. Pokrył pokój metalową folią. Z generatorem elektrostatycznym na zewnątrz zauważył, że wewnątrz nie ma ładunku, zgodnie z jego elektroskopem, urządzeniem używanym do pomiaru ładunku elektrycznego. Użył tego do zbudowania klatki Faradaya dla tego generatora.

Siedem lat później Faraday zademonstrował, że ładunek pozostaje na powierzchni przewodnika dla powierzchni metalowych. Używając metalowego wiadra z lodem, pokazał, że ładunek elektryczny w powłoce przewodnika tworzy ładunek na wewnętrznej powierzchni powłoki. Ładunek nie wpłynął na wewnętrzną objętość pocisku. Wykorzystując elektroskop do pomiaru ładunków elektrycznych, jego eksperyment stał się pierwszym ilościowym eksperymentem dotyczącym ładunku elektrycznego.