Как работает клетка Фарадея
Мир вокруг нас наполнен электромагнитными волнами. Они проходят сквозь тело, отражаются от стен и потолков, доставляют информацию на подключенные к интернету смартфоны и звучат голосами в радиоприемниках. Ни один современный человек не мыслит без них своей жизни.
Однако бывают моменты, когда нужно оградиться от электромагнитных волн. Чтобы, к примеру, защитить RFID-чипы, устанавливающиеся в банковских картах и биометрических паспортах. В этом случае на помощь часто приходит технология, изобретенная почти два века назад – клетка Фарадея.
Клетка (решетка Фарадея) — это, по сути, любое ограждение, изготовленное из электропроводного материала, будь то суперсовременное углеволокно или обычная проволочная сетка. Главным её свойством является то, что она не пропускает в себя электромагнитное излучение – от радиоволн до разрядов молнии.
Это становится возможным благодаря тому, как обращаются с электричеством металлы и другие проводящие материалы. Электроны в их атомах не связаны плотно с ядрами, поэтому могут свободно перемещаться. И когда электрическое поле, генерирующееся, например, радиоволнами, взаимодействует с клеткой Фарадея, эти частицы перемещаются на одну сторону контура, в то время как на другой концентрируются их «коллеги», имеющие положительный заряд.
Возникает полярность, которая создает вокруг клетки Фарадея электрическое поле, нейтрализующее осуществляющееся извне воздействие. Подобные контуры успешно блокируют или перенаправляют электрические разряды. Именно поэтому молнии, попавшие в самолет, чаще всего не наносят никакого ущерба – корпуса этих летательных аппаратов также представляют собой ничто иное, как клетку Фарадея.
В любом современном домохозяйстве наверняка найдется устройство, эксплуатирующее этот принцип. Типичным образцом является, например, микроволновая печь, которая конструируется таким образом, чтобы все излучение, обрабатывающее пищу, оставалось внутри корпуса. Именно поэтому мы можем заметить на её дверце металлическую сетчатую накладку. Можно упомянуть также коаксиальные кабели, применяющиеся для передачи радиочастотных сигналов внутри компьютерных и вещательных сетей.
Государственные службы используют клетки Фарадея для защиты важных объектов инфраструктуры от ударов молний и солнечных бурь. Шпионы и политики применяют их для обеспечения конфиденциальности своих переговоров – в данном случае оборудуются отдельные комнаты, обложенные металлической сеткой.
Открытие клетки Фарадея
Майкл Фарадей, герой этой истории, был родом из самой обычной семьи. Тяга к науке у него появилась, когда юноша стал работать переплетчиком и получил доступ к самой актуальной научной литературе. Заметив это увлечение, один из знакомых Майкла подарил ему билеты на лекцию выдающегося ученого Гемфри Дэви.
Впоследствии Фарадей прославился уже сам. Он разработал основы электролиза и обнаружил, что светом можно управлять с помощью магнитных полей. И, естественно, не будем забывать о самом важном его открытии – электрической индукции.
Майкл Фарадей впервые зафиксировал явление электрической индукции в 1831 году, и с той поры активно изучал этот феномен. Спустя несколько лет он провел серию экспериментов, в том числе с ведром для льда, получивший всемирную известность.
В этом случае отрицательно заряженный металлический шар опускался в емкость, не имевшую заряда. В результате электроны в ведре перестроились – положительно заряженные частицы оказались внутри него, а «минусовые» сконцентрировались снаружи. После того как шар изнутри прикоснулся к стенке, внутренние заряды уравновесились, а внешний отрицательный остался.
Эксперимент выявил принципы индукции и показал, что заряд на внешней стороне объекта никак не воздействует на происходящее внутри. Также стало понятно, что в центре подобного контура не может быть результирующего заряда. Впоследствии Фарадей устроил очень эффектную презентацию своего открытия – он соорудил из проволоки 4-метровый куб, вошел в эту клетку и наэлектризовал её внешнюю часть до 150000 вольт. Так как внутри никакого заряда не было, экспериментатор остался цел и невредим.