Ο ιδιοφυής επιστήμονας και εφευρέτης του XIX αιώνα Michael Faraday είναι γνωστός για την ενεργό εργασία του με τον ηλεκτρισμό, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο και τα συναφή φυσικά φαινόμενα. Μια από τις σημαντικές ανακαλύψεις του ήταν μια προστατευτική δομή που ονομάζεται κλωβός Faraday. Παρακάτω θα εξετάσουμε τι είναι και ποια πρακτική αξία αντιπροσωπεύει η εφεύρεση.
Περιεχόμενα
Τι είναι ο κλωβός Faraday
Ο κλωβός Faraday είναι ένα κουτί με τοιχώματα από ιδιαίτερα αγώγιμο μέταλλο. Η κατασκευή δεν απαιτεί εξωτερική σύνδεση ρεύματος, αλλά είναι συνήθως γειωμένη. Το φυσικό αποτέλεσμα του κλωβού παράγεται όταν αυτός εκτίθεται σε έναν εξωτερικό παράγοντα, ο οποίος είναι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.
Οι πρώτες κατασκευές που επέδειξαν το φαινόμενο της θωράκισης είχαν τη μορφή ενός συνηθισμένου κλωβού, ο οποίος έδωσε στο φαινόμενο το όνομά του. Στην πραγματικότητα, τα συρμάτινα ή διάτρητα τοιχώματα του "κουτιού" είναι βολικά για την οπτική επιθεώρηση αντικειμένων ή συσκευών μέσα σε κλειστό χώρο, αλλά μπορούν εύκολα να αντικατασταθούν από συμπαγή τοιχώματα. Το κυριότερο είναι ότι το υλικό πρέπει να είναι αγώγιμο.
Αρχή λειτουργίας
Η δράση ενός κλωβού Faraday βασίζεται στο γεγονός ότι το φορτίο κατανέμεται στην επιφάνεια του αγωγού, ενώ το εσωτερικό παραμένει ουδέτερο. Στην πραγματικότητα, ολόκληρο το κύτταρο, που αποτελείται από ένα αγώγιμο υλικό, είναι ένας μόνο αγωγός, τα "άκρα" του οποίου αποκτούν αντίθετο φορτίο. Το ηλεκτρικό ρεύμα που προκύπτει σε αυτή την περίπτωση δημιουργεί ένα πεδίο, το οποίο αντισταθμίζει την εξωτερική επίδραση. Η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στο εσωτερικό μιας τέτοιας δομής είναι μηδέν.
Είναι ενδιαφέρον ότι, αν το πεδίο δημιουργείται στο εσωτερικό του κυττάρου, το φαινόμενο λειτουργεί επίσης. Ωστόσο, στην περίπτωση αυτή, το φορτίο θα κατανέμεται στην εσωτερική επιφάνεια του πλέγματος ή άλλου αγώγιμου επιπέδου και δεν θα μπορεί να διεισδύσει προς τα έξω.
Στην αγγλόφωνη ορολογία, ένα QF ονομάζεται "Faraday shield", δηλαδή "ασπίδα/οθόνη Faraday". Αυτή η έννοια αποτυπώνει καλά την ουσία της συσκευής, η οποία, όπως μια ασπίδα ή μια προστατευτική οθόνη, αντανακλά τις ακτίνες που επηρεάζουν το περιεχόμενό της.
Πρέπει να θυμόμαστε ότι το φαινόμενο της θωράκισης λειτουργεί μόνο με εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο. Δεν παρεμβαίνει σε μόνιμες ή ασθενώς εναλλασσόμενες μαγνητικές επιδράσεις, όπως το φυσικό μαγνητικό δυναμικό της γης.
Για να προσδιοριστεί εάν ένας θάλαμος Faraday θα ανακλά ακτινοβολία υψηλής συχνότητας, αρκεί να γνωρίζουμε το μέγεθος του πλέγματος (εάν το αγώγιμο τμήμα έχει τη μορφή κλωβού) και το μήκος κύματος του μήκους κύματος που επηρεάζει. Ο σχεδιασμός είναι αποτελεσματικός εάν η δεύτερη τιμή είναι μεγαλύτερη από την πρώτη.
Τομείς εφαρμογής του αποτελέσματος QF
Το φαινόμενο που ανακάλυψε ο Faraday δεν έχει μόνο επιστημονική σημασία, αλλά και αρκετά ευρεία πρακτική εφαρμογή. Το απλούστερο παράδειγμα κλωβού Faraday μπορεί να βρεθεί στην καθημερινή ζωή- υπάρχει σχεδόν σε κάθε κουζίνα - είναι ένας φούρνος μικροκυμάτων. Τα πέντε τοιχώματά του είναι κατασκευασμένα από χοντρές χαλύβδινες πλάκες, ενώ ανάμεσα στα δύο στρώματα γυαλιού της πόρτας υπάρχει ένα μεταλλικό στρώμα με διάτρητες οπές για καλύτερη ορατότητα.
Καμπίνα ραδιοσυχνοτήτων
Ο θάλαμος RF είναι ένας χώρος που είναι μονωμένος από ηλεκτρική, μαγνητική και ακτινοβολούμενη ακτινοβολία, συνήθως μικρής έκτασης. Οι τοίχοι, το δάπεδο και η οροφή του είναι εξοπλισμένα με ιδιαίτερα αγώγιμες σχάρες που σχηματίζουν ένα κλειστό αλλά εξωτερικά αόρατο κλουβί.
Αίθουσες μαγνητικής τομογραφίας
Ο εξοπλισμός υψηλής ακρίβειας, όπως ένας ιατρικός μαγνητικός τομογράφος, απαιτεί προσεκτική προστασία από εξωτερικά ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Η παραμικρή εξωτερική επίδραση μπορεί να επηρεάσει τα αποτελέσματα της εξέτασης, γι' αυτό και ο χώρος όπου βρίσκεται το μηχάνημα μαγνητικής τομογραφίας είναι πλήρως θωρακισμένος.
Εργαστήρια
Στις εργαστηριακές δοκιμές, είναι σημαντικό όχι μόνο να χρησιμοποιείται προηγμένος εξοπλισμός, αλλά και να προστατεύεται αξιόπιστα από εξωτερικές επιδράσεις, όπως μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία, προκειμένου να λαμβάνονται ακριβή αποτελέσματα.
Θα πρέπει να γίνει κατανοητό ότι αυτό δεν σημαίνει μόνο την κατευθυνόμενη ακτινοβολία από συγκεκριμένες πηγές, αλλά και τον ηλεκτρομαγνητικό θόρυβο, ο οποίος είναι συνεχώς παρών στην ατμόσφαιρα, ιδίως μέσα και κοντά σε κατοικημένες περιοχές.
Η ποιοτική θωράκιση του εξοπλισμού με επίδραση CF απαιτεί ειδικούς υπολογισμούς σχεδιασμού και επαγγελματική εγκατάσταση.
Προστατευτικές στολές
Έχουν αναπτυχθεί ειδικές στολές για άτομα που εργάζονται σε χώρους με υψηλό κίνδυνο ηλεκτροπληξίας. Το ανώτερο στρώμα τους είναι κατασκευασμένο από ύφασμα που περιέχει μέταλλο και διαχωρίζεται από το σώμα με μονωτικό υλικό. Σε περίπτωση έκθεσης σε υπολειπόμενο στατικό ή ηλεκτρικό ρεύμα, ένα φορτίο ρέει στο εξωτερικό περίβλημα του κιτ.
Ο προστατευτικός ρουχισμός είναι απαραίτητος όταν εργάζεστε σε γραμμές υψηλής τάσης. Ακόμη και όταν είναι απενεργοποιημένα, διατηρούν επικίνδυνα επίπεδα στατικού φορτίου λόγω των πολλών χιλιομέτρων ηλεκτρικών αγωγών.
Σε έναν κόσμο διασκέδασης
Το εφέ KF, το οποίο είναι πολύχρωμο σε μια σκηνή, είναι πολύ εντυπωσιακό. Συχνά χρησιμοποιείται ένα απλό κλουβί, αλλά μάλλον ένα φαινομενικά αβαρές περίβλημα από μεγάλα πλέγματα ή ακόμη και ένα ειδικά κατασκευασμένο κοστούμι που μοιάζει με συμβατικό ρουχισμό. Στην περίπτωση αυτή το ρεύμα εφαρμόζεται όσο το δυνατόν πιο αποτελεσματικά, για παράδειγμα, μέσω πηνίων Tesla ή παρόμοιων συσκευών, οι οποίες δημιουργούν φορτίο από ηλεκτροστατική γεννήτρια.
Φτιάχνοντας έναν σπιτικό κλωβό Faraday με τα χέρια σας
Στην καθημερινή ζωή, η κατασκευή ενός αυτοσχέδιου κλουβιού μπορεί να είναι απαραίτητη για να "κρύψετε" τα gadgets από τη δράση διαφόρων κυμάτων, τα οποία μπορεί να προκαλέσουν διαταραχές στην ευαίσθητη ηλεκτρονική "γέμιση".
Ένα παράδειγμα τέτοιας κατασκευής είναι ένα κουτί από κόντρα πλακέ που έχει φινιριστεί με συγκεκριμένο τρόπο. Καθώς το κόντρα πλακέ λειτουργεί ως μονωτικό στρώμα, πρέπει να είναι απόλυτα καθαρό και στεγνό. Μπορείτε να συναρμολογήσετε το κουτί μόνοι σας ή να το έχετε έτοιμο, αρκεί να συναρμολογηθεί χωρίς τη χρήση καρφιών ή άλλων μεταλλικών συνδετήρων. Η συναρμολόγηση πρέπει να γίνεται σε διάφορα βήματα:
- Το φύλλο τροφίμων χωρίζεται σε τμήματα, ανάλογα με το μέγεθος των τοιχωμάτων κόντρα πλακέ ή των κενών τους.
- Οι επιφάνειες του μελλοντικού κουτιού είναι εξωτερικά επενδεδυμένες με αλουμινόχαρτο. Η γυαλιστερή πλευρά του φύλλου πρέπει να είναι στραμμένη προς τα έξω.
- Συγκολλήστε τα τοιχώματα στο εσωτερικό και τοποθετήστε μερικά μαξιλαράκια για ποντίκια υπολογιστών στο κάτω μέρος του κουτιού.
- Ελέγξτε προσεκτικά ότι όταν το καπάκι κλείνει, το στρώμα του φύλλου σχηματίζει ένα συνεχές κέλυφος, χωρίς τα παραμικρά κενά ή σκισίματα.
Η δεύτερη παραλλαγή υποθέτει ότι η βάση του κλωβού Faraday με τα χέρια σας είναι μια μεταλλική δεξαμενή (δοχείο, κουτί, κουτί, κ.λπ.), μέσα στην οποία η μόνωση είναι τοποθετημένη από χαρτόνι, το ίδιο κόντρα πλακέ ή άλλο υλικό. Η προϋπόθεση της στεγανής εφαρμογής του καπακιού είναι εξίσου σημαντική για αυτή την κατασκευή όπως και για εκείνη που περιγράφεται παραπάνω.
Πρέπει να κάνω σύνδεση γείωσης;
Δεν υπάρχει συναίνεση σχετικά με το αν ένα CF πρέπει να είναι γειωμένο. Οι μεγάλες κατασκευές και οι κατασκευές που μπορούν να επηρεαστούν από ιδιαίτερα ισχυρά ηλεκτροσόκ πρέπει πάντα να γειώνονται.
Η γείωση προστατεύει οπωσδήποτε από μη φυσιολογικές καταστάσεις όπου ένα συσσωρευμένο ισχυρό φορτίο μπορεί να "διαπεράσει" το περιβάλλον του αέρα και να χτυπήσει ένα κοντινό αντικείμενο ή άτομο.
Δοκιμή ενός αυτοσχέδιου κλωβού Faraday
Για να δοκιμάσετε την αρχή του κλωβού Faraday στην πράξη, είναι καλύτερο να χρησιμοποιήσετε έναν συμπαγή ραδιοφωνικό δέκτη που τροφοδοτείται από μπαταρία. Θα πρέπει να είναι ρυθμισμένο στη μέγιστη ένταση και συντονισμένο στο ισχυρότερο διαθέσιμο κανάλι FM. Αν το κινητό λειτουργεί, ο ασύρματος σε αυτό θα σιωπήσει.
Εάν ο δέκτης ακούγεται έστω και ελαφρώς, αυτό σημαίνει ότι δεν επιτυγχάνεται εκατό τοις εκατό θωράκιση και θα πρέπει να αναζητήσετε κενά στο αγώγιμο στρώμα.
Ένα κινητό τηλέφωνο είναι επίσης κατάλληλο για τη δοκιμή μιας αυτοσυναρμολογούμενης κάμερας. Μόλις μπει μέσα, θα σταματήσει να λαμβάνει σήματα σταθμού βάσης, πράγμα που σημαίνει ότι όταν το καλέσετε, θα ακούσετε ένα αντίστοιχο μήνυμα από τον αυτόματο πληροφοριοδότη του παρόχου κινητής τηλεφωνίας.
Σχετικά άρθρα:
