Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Демонстрация клетки Фарадея на волонтерах во Дворце де ла Декуверт 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 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 публикой для защиты от кражи данных или для повышения цифровой конфиденциальности .

Клетка Фарадея или Фарадей щит представляет собой корпус используется для блокирования электромагнитных полей . Экран Фарадея может быть образован сплошным покрытием из проводящего материала или, в случае клетки Фарадея, сеткой из таких материалов. Клетки Фарадея названы в честь ученого Майкла Фарадея , который изобрел их в 1836 году. [1]

Видео клетки Фарадея, защищающей человека от электричества

Клетка Фарадея работает, потому что внешнее электрическое поле заставляет электрические заряды в проводящем материале клетки распределяться таким образом, что они нейтрализуют эффект поля внутри клетки. Это явление используется для защиты чувствительного электронного оборудования (например, радиоприемников ) от внешних радиочастотных помех (RFI), часто во время тестирования или юстировки устройства. Они также используются для защиты людей и оборудования от реальных электрических токов, таких как удары молнии и электростатические разряды , поскольку ограждающая клетка проводит ток по внешней стороне замкнутого пространства и ни один из них не проходит внутри.

Клетки Фарадея не могут блокировать стабильные или медленно меняющиеся магнитные поля, такие как магнитное поле Земли ( внутри все равно будет работать компас ). Однако в значительной степени они защищают внутреннее пространство от внешнего электромагнитного излучения, если проводник достаточно толстый и любые отверстия значительно меньше длины волны излучения. Например, определенные процедуры компьютерной криминалистической проверки электронных систем, требующие среды, свободной от электромагнитных помех.может проводиться в экранированном помещении. Эти помещения полностью закрыты 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. См. Также электромагнитное экранирование . Они обеспечивают меньшее затухание исходящих передач, чем входящих: они могут очень эффективно блокировать волны ЭМИ от природных явлений, но устройство слежения, особенно на верхних частотах, может проникать изнутри клетки (например, некоторые сотовые телефоны работают на различных радиостанциях. частоты, поэтому пока один сотовый телефон может не работать, другой будет).

Прием или передача радиоволн , формы электромагнитного излучения , к антенне в клетке Фарадея или от нее сильно ослабляется или блокируется клеткой; однако клетка Фарадея имеет различное затухание в зависимости от формы волны, частоты или расстояния от приемника / передатчика, а также мощности приемника / передатчика. Высокочастотные высокочастотные передачи ближнего поля, такие как HF RFID, имеют больше шансов проникнуть внутрь. Твердые клетки обычно ослабляют поля в более широком диапазоне частот, чем сетчатые клетки.

История [ править ]

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 внутренних стенах комнаты нет электрического заряда.

Хотя этот эффект клетки был приписан знаменитым экспериментам Майкла Фарадея в ведре со льдом, проведенным в 1843 году, именно Бенджамин Франклин в 1755 году наблюдал этот 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 дублировали пробку и банку Франклина). [2]

Кроме того, в 1754 году аббат Нолле опубликовал раннее описание эффекта, связанного с эффектом клетки, в своем Leçons de Physique Expérimentale . [3]

Операция [ править ]

Анимация, показывающая, как работает клетка Фарадея (коробка) . Когда внешнее электрическое поле (стрелка) применяются, то электроны (маленькие шарики) в металлическом движении к левой стороне клетки, придавая ей отрицательный заряд, в то время как остальное несбалансированное заряд ядер дают правой стороне положительному заряд . Эти индуцированные заряды создают противоположное электрическое поле, которое нейтрализует внешнее электрическое поле по всей коробке.

Непрерывный [ править ]

Сплошной экран Фарадея представляет собой полый проводник. Электромагнитные поля, приложенные извне или внутри, создают силы на носителях заряда (обычно электронах) внутри проводника; заряды соответственно перераспределяются за счет электростатической индукции . Перераспределенные заряды значительно снижают напряжение на поверхности в зависимости от емкости; однако полной отмены не происходит. [4] [ требуется дополнительное цитирование ]

Внутренние сборы [ править ]

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. ВидетьНапример, эксперимент Фарадея с ведром со льдом для получения более подробной информации о силовых линиях электрического поля и отделении внешнего от внутреннего. Обратите внимание, что электромагнитные волны не являются статическими зарядами.

Если клетка заземлена , избыточные заряды будут нейтрализованы, так как заземление создает эквипотенциальное соединение между внешней стороной клетки и окружающей средой, поэтому между ними нет напряжения и, следовательно, нет поля. Внутренняя поверхность и внутренний заряд останутся прежними, поэтому поле останется внутри.

Внешние поля [ править ]

Зависимость глубины скин-слоя от частоты для некоторых материалов при комнатной температуре, красная вертикальная линия обозначает частоту 50 Гц:
  • Mn – Zn - магнитомягкий феррит.
  • Al - металлический алюминий
  • Cu - металлическая медь
  • сталь 410 - магнитная нержавеющая сталь
  • Fe – Si - текстурированная электротехническая сталь.
  • Fe – Ni - высокопроницаемый пермаллой (80% Ni – 20% Fe).

Эффективность экранирования статического электрического поля в значительной степени не зависит от геометрии проводящего материала; однако статические магнитные поля могут полностью проникать 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 электропроводности , магнитных свойств проводящих материалов, используемых в клетках, а также от их толщины.

Хорошее представление об эффективности щита Фарадея можно получить из соображений глубины 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 [ править ]

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 толщины скин-слоя, отверстия в клетке могут пропускать более короткие волны или создавать « исчезающие 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 волнах (т. Е. На высоких частотах), отверстия в обойме должны быть меньше длины волны падающей волны. Поэтому клетки Фарадея можно рассматривать как фильтры высоких частот .

Примеры [ править ]

SLC-40 с инфраструктурой запуска SpaceX Falcon 9 . Четыре башни, окружающие ракету, представляют собой молниеотводы , действующие как гигантская клетка Фарадея.
  • Клетки Фарадея обычно используются в аналитической химии 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.
  • Стандарты Tempest США и НАТО , а также аналогичные стандарты в других странах включают клетки Фарадея как часть более широких усилий по обеспечению безопасности 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. К чувствительным компонентам могут относиться 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 устройства отображения GPS), которые могут быть спроектированы с возможностью работы в качестве критических цепей в чрезвычайных ситуациях. [5] [6]
  • Руля мешок (пакет для покупок облицована алюминиевой фольгой ) выступает в качестве клетки Фарадея. Его часто используют воры для кражи товаров с RFID- метками. [7]
    • Подобные контейнеры используются для защиты от сканирования RFID .
  • Лифты и другие помещения с металлическими проводящими рамами и стенами имитируют эффект клетки Фарадея, что приводит к потере сигнала и «мертвым зонам» для пользователей сотовых телефонов , радиоприемников и других электронных устройств, 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. [ необходима цитата ]
  • Правильно спроектированная токопроводящая одежда также может служить защитной клеткой Фарадея. Некоторые электромонтажники носят костюмы Фарадея, которые позволяют им работать на высоковольтных линиях электропередачи под напряжением без риска поражения электрическим током. Костюм предотвращает прохождение электрического тока через тело и не имеет теоретических ограничений по напряжению. Линейщики успешно отработали даже самые высокие линии напряжения (ЛЭП Экибастуз - Кокшетау, Казахстан, 1150 кВ). [ необходима 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 Доктором MegaVolt и выступал по всему миру и на Burning Man девять разных лет.
  • Комната сканирования аппарата магнитно-резонансной томографии (МРТ) выполнена 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, появляющиеся на изображениях, в случае повреждения клетки Фарадея во время грозы .
  • В микроволновой печи используется клетка Фарадея, которая частично закрывает прозрачное окно, чтобы удерживать электромагнитную энергию внутри духовки и защищать ее от излучения.
  • Пластиковые пакеты, пропитанные металлом, используются для закрытия электронных устройств для взимания платы за проезд, когда плата за проезд не взимается с этих устройств, например, во время перевозки или когда пользователь платит наличными. [ необходима цитата ]
  • Экран экранированного кабеля , например USB- кабеля или коаксиального кабеля, используемого 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]

См. Также [ править ]

  • Безэховая камера
  • Антистатическая сумка
  • Проводящий текстиль
  • Шляпа из фольги
  • Закон Гаусса
  • Глушитель мобильного телефона
  • Му-металл
  • Одеяло из майлара
  • Катушка Тесла
  • Генератор Ван де Граафа

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Майкл Фарадей" . Encarta . Архивировано из оригинала 8 мая 2006 года . Проверено 20 ноября 2008 года .
  2. ^ JD Krauss, Electromagnetics , 4Ed, McGraw-Hill, 1992, ISBN 0-07-035621-1 
  3. ^ Mascart, Éleuthère Эли Николя (1876). 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 . Проверено 23 апреля 2020 .
  6. ^ «Надежность становится главной заботой в автомобилестроении» . Блог о пассивных компонентах . 2019-02-12 . Проверено 23 апреля 2020 .
  7. ↑ Хэмилл, Шон (22 декабря 2008 г.). «По мере того как экономика падает, аресты за кражи в магазинах растут» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 12 августа 2009 года .
  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 состоянии оперативной группы по контрабандной телефонной связи» (PDF) . 26 апреля 2019.

Внешние ссылки [ править ]

  • Клетка Фарадея защищает от напряжения 100000 В :: Physikshow Uni Bonn
  • Заметки из лекции по физике о клетках Фарадея из Мичиганского государственного университета
  • Майкл Фарадей: история изобретения клетки Фарадея и связанный с ним эксперимент
  • Ричард Хаммонд из Top Gear защищен от напряжения 600 000 В автомобилем (клеткой Фарадея).
  • Ричард Хаммонд из Top Gear в образе человеческого громоотвода, защищенный костюмом Voltrex