Клетка Фарадея - Faraday cage

Демонстрация клетки Фарадея на добровольцах в Palais de la Découverte в Париже
Экранирование от электромагнитных помех вокруг машинного зала МРТ
Щит Фарадея на электростанции в Хаймбахе, Германия
Сумка Фарадея
Сумки Фарадея - это разновидность клетки Фарадея, сделанная из гибкой металлической ткани. Обычно они используются для блокировки удаленного удаления или изменения беспроводных устройств, восстановленных в ходе уголовных расследований, но также могут использоваться широкой общественностью для защиты от кражи данных или для улучшения цифровая конфиденциальность.

А Клетка Фарадея или Щит Фарадея корпус, используемый для блокировки электромагнитные поля. Щит Фарадея может быть образован сплошным покрытием проводящий материал или, в случае клетки Фарадея, сеткой из таких материалов. Клетки Фарадея названы в честь ученого Майкл Фарадей, который изобрел их в 1836 году.[1]

Видео клетки Фарадея, защищающей человека от электричества

Клетка Фарадея работает, потому что внешнее электрическое поле вызывает электрические заряды внутри клетки должен быть распределен проводящий материал так, чтобы они нейтрализовали эффект поля внутри клетки. Это явление используется для защиты чувствительных электронное оборудование (Например Радиоприемники ) из внешних радиопомехи (RFI) часто во время тестирования или настройки устройства. Они также используются для защиты людей и оборудования от реальных электрических токов, таких как молния забастовки и электростатические разряды, поскольку ограждающая клетка проводит ток по внешней стороне замкнутого пространства, и никакой ток не проходит внутри.

Клетки Фарадея не могут блокировать стабильные или медленно изменяющиеся магнитные поля, такие как Магнитное поле Земли (а компас все равно будет работать внутри). Однако в значительной степени они защищают интерьер от внешних воздействий. электромагнитное излучение если проводник достаточно толстый и любые отверстия значительно меньше, чем длина волны излучения. Например, некоторые компьютерная криминалистика процедуры тестирования электронных систем, которые требуют среды, свободной от электромагнитная интерференция можно проводить в закрытом помещении. Эти комнаты представляют собой помещения, полностью окруженные одним или несколькими слоями мелкой металлической сетки или перфорированного листового металла. Металлические слои заземлены, чтобы рассеивать любые электрические токи, генерируемые внешними или внутренними электромагнитными полями, и, таким образом, они блокируют большое количество электромагнитных помех. Смотрите также электромагнитное экранирование. Они обеспечивают меньшее затухание исходящей передачи, чем входящей: они могут блокировать EMP волны от природных явлений очень эффективны, но устройство слежения, особенно на верхних частотах, может проникать изнутри клетки (например, некоторые сотовые телефоны работают на разных радиочастотах, поэтому, хотя один сотовый телефон может не работать, другой будет) .

Прием или передача радиоволны, форма электромагнитное излучение, в или из антенна внутри клетки Фарадея сильно ослаблен или заблокирован клеткой; однако клетка Фарадея имеет различное затухание в зависимости от формы волны, частоты или расстояния от приемника / передатчика и мощности приемника / передатчика. С большей вероятностью проникнут высокочастотные передачи ближнего поля, такие как HF RFID. Твердые клетки обычно ослабляют поля в более широком диапазоне частот, чем сетчатые клетки.

История

В 1836 году Майкл Фарадей заметил, что избыточный заряд заряженного проводника находится только на его внешней стороне и не влияет ни на что внутри него. Чтобы продемонстрировать этот факт, он построил комнату, покрытую металлической фольгой, и позволил разрядам высокого напряжения от электростатического генератора попасть за пределы комнаты. Он использовал электроскоп чтобы показать, что на внутренней стороне стен комнаты не было электрического заряда.

Хотя этот эффект клетки приписывают Знаменитые эксперименты Майкла Фарадея с ведром со льдом исполненный в 1843 г., был Бенджамин Франклин в 1755 году, который наблюдал эффект, опуская незаряженный пробковый шар, подвешенный на шелковой нити, через отверстие в электрически заряженной металлической банке. По его словам, «пробка не притягивалась к внутренней части банки, как это было бы с внешней стороны, и, хотя она касалась дна, но когда вытянута, она не была наэлектризована (заряжена) от этого прикосновения, как это было бы, прикоснувшись к внешней стороне. Факт необычный ». Франклин обнаружил поведение того, что мы теперь называем клеткой или щитом Фарадея (на основе более поздних экспериментов Фарадея, которые копировали пробку и банку Франклина).[2]

Кроме того, в 1754 г. Аббат Нолле опубликовал ранний отчет об эффекте, приписываемом эффекту клетки в своем Leçons de Physique Expérimentale.[3]

Операция

Анимация, показывающая, как устроена клетка Фарадея (коробка) работает. Когда внешнее электрическое поле (стрелки) применяется, электроны (маленькие шарики) в металле перемещаются к левой стороне клетки, придавая ей отрицательный заряд, в то время как оставшийся несбалансированный заряд ядер дает положительный заряд правой стороне. Эти индуцированные заряды создают противоположное электрическое поле, которое нейтрализует внешнее электрическое поле по всей коробке.

Непрерывный

Сплошной экран Фарадея представляет собой полый проводник. Внешние или внутренние электромагнитные поля создают силы на носители заряда (обычно электроны) внутри проводника; начисления перераспределяются соответственно за счет электростатическая индукция. Перераспределенные заряды значительно снижают напряжение на поверхности в зависимости от емкости; однако полной отмены не происходит.[4][требуется дополнительная ссылка (и) ]

Внутренние сборы

Если заряд помещается внутри незаземленного щита Фарадея, не касаясь стенок (обозначим это количество заряда как + Q), внутренняя поверхность экрана заряжается -Q, что приводит к силовым линиям, исходящим от заряда и распространяющимся на заряды внутри. внутренняя поверхность металла. Траектории силовых линий в этом внутреннем пространстве (до конечных отрицательных зарядов) зависят от формы внутренних защитных стенок. Одновременно + Q накапливается на внешней поверхности экрана. Распределение зарядов на внешней поверхности не зависит от положения внутреннего заряда внутри корпуса, а определяется формой внешней поверхности. Таким образом, для всех целей и задач щит Фарадея генерирует снаружи такое же статическое электрическое поле, которое он генерировал бы, если бы металл был просто заряжен + Q. Увидеть Эксперимент Фарадея с ведром со льдом, например, для получения более подробной информации о силовых линиях электрического поля и развязке снаружи от внутренней. Обратите внимание, что электромагнитные волны не являются статическими зарядами.

Если клетка заземленный, избыточные заряды будут нейтрализованы, поскольку заземление создает уравнивание потенциалов между внешней стороной клетки и окружающей средой, поэтому между ними нет напряжения и, следовательно, поля. Внутренняя поверхность и внутренний заряд останутся прежними, поэтому поле останется внутри.

Внешние поля

Зависимость глубины скин-слоя от частоты для некоторых материалов при комнатной температуре, красная вертикальная линия обозначает частоту 50 Гц:

Эффективность экранирования статического электрического поля в значительной степени 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 электрическая проводимость магнитные свойства проводящих материалов, используемых в клетках, а также их толщина.

Хорошее представление об эффективности щита Фарадея можно получить из соображений глубина кожи. С глубиной скин-фактора ток, протекающий в основном на поверхности, экспоненциально затухает с глубиной сквозь материал. Поскольку щит Фарадея имеет конечную толщину, это определяет, насколько хорошо он работает; более толстый экран может лучше ослаблять электромагнитные поля и уменьшать частоту.

Клетка Фарадея

Клетки Фарадея - это щиты Фарадея, в которых есть отверстия, поэтому их сложнее анализировать. В то время как непрерывные экраны по существу ослабляют все длины волн короче глубины скин-слоя, отверстия в клетке могут пропускать или формировать более короткие волны »мимолетные поля "(осциллирующие поля, которые не распространяются как электромагнитные волны) прямо под поверхностью. Чем короче длина волны, тем лучше она проходит через сетку заданного размера. Таким образом, чтобы хорошо работать на коротких длинах волн (т.е. высоких частотах), отверстия в клетка должна быть меньше длины волны падающей волны. Поэтому клетки Фарадея можно рассматривать как фильтры высоких частот.

Примеры

SLC-40 с SpaceX Сокол 9 стартовая инфраструктура. Четыре башни вокруг ракеты молниеотводы, действуя как гигант Клетка Фарадея
  • Клетки Фарадея обычно используются в аналитическая химия для уменьшения шума при проведении чувствительных измерений.
  • Клетки Фарадея, а точнее сумки Фарадея с двойным парным швом, часто используются в цифровой криминалистике для предотвращения удаленного удаления и изменения цифровых улик.
  • США и НАТО Буря стандарты и аналогичные стандарты в других странах включают клетки Фарадея как часть более широких усилий по обеспечению безопасность выбросов для компьютеров.
  • Пассажирские салоны автомобилей и самолетов представляют собой клетки Фарадея, защищающие пассажиров от электрических разрядов, таких как молнии.
  • В электронных компонентах автомобилей и самолетов используются клетки Фарадея для защиты сигналов от помех. Чувствительные компоненты могут включать беспроводные дверные замки, системы навигации / GPS и системы предупреждения о выезде с полосы движения. Клетки и экраны Фарадея также имеют решающее значение для информационно-развлекательных систем транспортных средств (например, радио, Wi-Fi и дисплеи GPS), которые могут быть спроектированы с возможностью работы в качестве критических цепей в чрезвычайных ситуациях. [5] [6]
  • А сумка-бустер (сумка для покупок с алюминиевая фольга ) действует как клетка Фарадея. Его часто используют воры для кражи RFID -отмеченные предметы.[7]
    • Подобные контейнеры используются для сопротивления RFID скимминг.
  • Лифтов и другие помещения с металлическими проводящими рамами и стенами имитируют эффект клетки Фарадея, что приводит к потере сигнала и «мертвым зонам» для пользователей сотовые телефоны, радио, и другие электронные устройства, которым требуются внешние электромагнитные сигналы. Во время обучения пожарных и других служб быстрого реагирования предупреждают, что их двусторонние радиостанции, вероятно, не будут работать внутри лифтов, и следует учитывать это. Небольшие физические клетки Фарадея используются инженерами-электронщиками во время тестирования оборудования для моделирования такой среды, чтобы убедиться, что устройство корректно справляется с этими условиями.[нужна цитата ]
  • Правильно спроектированная токопроводящая одежда также может служить защитной клеткой Фарадея. Некоторые электрические лайнеры носить костюмы Фарадея, которые позволяют им работать на находящихся под напряжением высоковольтных линиях электропередач без риска поражения электрическим током. Костюм предотвращает прохождение электрического тока через тело и не имеет теоретических ограничений по напряжению. Линейщики успешно отработали даже самое высокое напряжение (Линия Экибастуз - Кокшетау, Казахстан 1150 кВ) линии безопасно.[нужна цитата ]
    • Остин Ричардс, физик из Калифорнии, создал в 1997 году металлический костюм Фарадея, который защищает его от разрядов катушки Тесла. В 1998 году он назвал персонажа в костюме Doctor MegaVolt и выступал по всему миру и на Горящий человек девять разных лет.
  • Комната сканирования магнитно-резонансная томография (МРТ) аппарат выполнен в виде клетки Фарадея. Это предотвращает добавление внешних радиочастотных сигналов к данным, полученным от пациента, которые могут повлиять на полученное изображение. Рентгенологи обучены определять характерные артефакты, возникающие на изображениях, в случае повреждения клетки Фарадея во время гроза.
  • А микроволновая печь использует клетку Фарадея, которая частично закрывает прозрачное окно, чтобы сдерживать электромагнитную энергию внутри печи и защищать внешнюю часть от излучения.
  • Пластиковые пакеты, пропитанные металлом, используются для упаковки электронный сбор платы за проезд устройств, когда плата за проезд не взимается с этих устройств, например, во время транспортировки или когда пользователь платит наличными.[нужна цитата ]
  • Щит экранированный кабель, такие как USB кабели или коаксиальный кабель используется для кабельного телевидения, защищает внутренние проводники от внешних электрических помех и предотвращает утечку радиочастотных сигналов.
  • У тюрем есть причины блокировать как входящие, так и исходящие звонки заключенных.[8][9]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ "Майкл Фарадей". Encarta. Архивировано из оригинал 8 мая 2006 г.. Получено 20 ноября 2008.
  2. ^ Дж. Д. Краусс, Электромагнетизм, 4-е изд., Макгроу-Хилл, 1992 г., ISBN  0-07-035621-1
  3. ^ Маскар, Элеутер Эли Николя (1876 г.). Traité d'électricité statique. Г. Массон. п.95. Клетка Фарадея Нолле.
  4. ^ https://people.maths.ox.ac.uk/trefethen/chapman_hewett_trefethen.pdf Математика клетки Фарадея - С. Джонатан Чепмен Дэвид П. Хьюетт Ллойд Н. Трефетен
  5. ^ «Понимание экранирования EMI / RFI для управления помехами». Ceptech. Получено 2020-04-23.
  6. ^ «Надежность - главная забота в автомобилестроении». Блог о пассивных компонентах. 2019-02-12. Получено 2020-04-23.
  7. ^ Хэмилл, Шон (22 декабря 2008 г.). «По мере того, как экономика падает, аресты за кражи в магазинах растут». Нью-Йорк Таймс. Получено 12 августа 2009.
  8. ^ Марк Проза. «Несовершенная система». Журнал AARP. № апрель / май 2020 г. с. 6. со щитом Фарадея сделает бесполезными функции приема и передачи телефонов
  9. ^ «УДАЛЕНО ДЛЯ ОБЩЕСТВЕННОЙ ИНСПЕКЦИИ: отчет о статусе оперативной группы по контрабанде» (PDF). 26 апреля 2019.

внешние ссылки