Современный мир полагается на электромагнитные волны для связи: Wi-Fi, Bluetooth, 5G, рации и другие радиоволновые коммуникаторы. Заблокировать электромагнитные волны вокруг вряд ли когда-нибудь станет возможным. Но можно отменить электромагнитные волны отдельно взятого электронного устройства. Это можно сделать с помощью клетки Фарадея и вот как она работает.
Что такое электромагнитная волна?
Чтобы понять, почему клетка Фарадея может блокировать радиоволны, нужно сначала понять, что такое электромагнитная волна.
Электрический заряд (например протон) создает электрическое поле в области пространства вокруг себя. Это поле направлено в сторону от положительных зарядов и уменьшается по мере удаления от заряженной частицы.
Человечество уже давно научилось создавать электрическое поле с помощью магнитного поля. На этом принципе работает любой электрический генератор: рядом с магнитом быстро проносится кусок металла, что вызывает в металле электрическое поле.
Связь электрического и магнитного поля означает, что изменение электрического поля также создает магнитное поле.
Если бы вы могли увидеть электрические и магнитные поля в волне, это могло выглядеть примерно так:
Присмотритесь к видео и вы увидите, что электрическое и магнитное поля имеют форму волны. Если длина (расстояние между самыми высокими точками) этой электромагнитной волны очень велика (более 10 метров), мы называем ее радиоволной.
Более короткие электромагнитные волны в диапазоне от 1 миллиметра до 1 метра называются микро радиоволны.
Наши глаза могут обнаруживать еще более короткие электромагнитные волны в диапазоне от 400 до 700 нанометров – для нас это видимый свет.
Также нужно помнить, что если есть два электрических заряда в одной области пространства, полученное общее поле в этой точке суммируется и будет иметь определенное направление. Если два поля находятся в противоположных направлениях, то общее поле будет меньше, возможно это будет даже нуль, если они полностью отменяют друг друга.
Электрические поля в металлах
Это именно то, что делает клетка Фарадея: она упраздняет электромагнитное поле, создавая второе поле с противоположным направлением. Два поля упраздняют друг друга и вот возникает ситуация, когда электромагнитной волны в определенном участке пространства уже нет.
Для создания клетки Фарадея используется электропроводящий металл. Проводимость этого материала позволяет электрическим зарядам в материале клетки двигаться вдоль ее поверхности и создавать второе электрическое поле, гасящее электромагнитную волну.
То есть, если разместить телефон внутри клетки Фарадея, отправленные им сигналы не выйдут за пределы клетки.
Это также работает в другую сторону: поступающие извне электромагнитные волны гасятся клеткой Фарадея. То есть, телефон внутри клетки не будет знать, что он получает текстовое сообщение или звонок — эти сигналы он не получит.
Использование металлов для клетки очень важно. Клетка Фарадея состоит из электрического проводника – таких металлов, как медь, алюминий или сталь. В ведущем материале атомы могут делить один из своих электронов с соседними атомами. Это означает, что в металлах электрон может достаточно просто переходить от одного атома к другому. В пластиках или древесине электроны застряли в своих атомах и не могут так свободно двигаться.
Поскольку в проводниках электроны могут свободно двигаться, могут произойти некоторые интересные вещи. А именно когда электрическое поле сталкивается с проводником, оно будет перемещать заряды так, что суммарное электрическое поле равно нулю.
А как насчет магнитного поля – оно тоже отменяется? Не так, как электрическое поле. Проблема в том, что нет такого понятия, как магнитный заряд. Это означает, что вы не можете разделить магнитные заряды, чтобы отменить магнитное поле внутри проводника. Но помните, что электромагнитная волна – это связанное электрическое и магнитное поля. Если вы отмените электрическое поле, то у вас не будет электромагнитной волны.
Настоящие клетки Фарадея
Клетка Фарадея может быть практически любой формы. Но на практике вы не можете просто накрыть свой телефон любым электрическим проводником и ожидать, что он будет действовать как клетка Фарадея. Также важны два фактора: толщина материала и его прочность.
Начнём с толщины. Одним из параметров клетки Фарадея есть ее «глубина оболочки». Это способ вычисления минимальной толщины материала, чтобы он мог эффективно гасить электромагнитные волны. Глубина скин-сферы зависит от удельного сопротивления материала (сколь тяжело двигаться электронам), частоты электромагнитной волны, а также магнитных свойств материала. Это означает, что для радиоволны большей длины понадобится более толстый материал клетки.
Предположим, вы обернули свой телефон одним слоем алюминиевой фольги. Алюминиевая фольга действительно является проводником электричества, но она тоже очень тонкая. Не так много электронов, которые можно перемещать, и они не могут удаляться друг от друга, потому что фольга тонкая. Поэтому они не могут идеально отменить электрическое поле внутри.
Одного слоя алюминиевой фольги будет недостаточно. Но продолжайте добавлять слои алюминиевой фольги, и настанет момент, когда обернутый фольгой телефон окажется вне зоны досягаемости.
Клетка Фарадея также может быть сетчатой, а не идеально жесткой. Это сложная конструкция, но в общем, если диаметр отверстий в сетке меньше длины электромагнитной волны, она должна хорошо работать.
Представьте, что у вас есть FM-радио, настроенное на станцию ??на частоте 100 МГц. Длина этой радиоволны будет 3 метра. Итак, пока диаметр отверстий в стенке клетки Фарадея менее 3 метров, она все равно будет отменена электромагнитными волнами этой длины.
Сигнал 5G с телефона имеет гораздо меньшую длину волны. Эта радиосвязь в некоторых вариантах работает на частотах около 30 ГГц, что означает длину волны около 1 сантиметра. Сетчатая клетка Фарадея блокировала такие телефонные сигналы, если диаметр отверстий был бы меньше 1 сантиметра.
По материалам: Wired
