Четвер, 22 Лютого, 2024

У ній перестають працювати сучасні технології: яка фізика роботи клітки Фарадея

Сучасний світ покладається на електромагнітні хвилі для зв’язку: Wi-Fi, Bluetooth, 5G, рації та інші радіохвильові комунікатори. Заблокувати електромагнітні хвилі навколо навряд чи колись стане можливим. Але можна скасувати електромагнітні хвилі для окремо взятого електронного пристрою. Це можна зробити за допомогою клітки Фарадея, і ось як вона працює.

Що таке електромагнітна хвиля?

Щоб зрозуміти, чому клітка Фарадея може блокувати радіохвилі, потрібно спершу зрозуміти, що таке електромагнітна хвиля.

Електричний заряд (наприклад, протон) створює електричне поле в області простору навколо себе. Це поле спрямоване в сторону від позитивних зарядів і зменшується у міру віддалення від зарядженої частинки.

Людство уже давно навчилося створювати електричне поле — за допомогою магнітного поля. На цьому принципі працює будь-який електричний генератор: поруч з магнітом швидко проноситься шматок металу, і це викликає в металі електричне поле.

Зв’язок електричного та магнітних полів означає, що зміна електричного поля також створює магнітне поле.

Якби ви могли побачити електричні та магнітні поля у хвилі, це могло б виглядати приблизно так:

Придивіться до відео і ви побачите, що електричне та магнітне поля мають форму хвилі. Якщо довжина  (відстань між найвищими точками) цієї електромагнітної хвилі дуже велика (більше 10 метрів), ми називаємо її радіохвилею.

Більш короткі електромагнітні хвилі, в діапазоні від 1 міліметра до 1 метра, називаються мікро радіохвилі.

Наші очі можуть виявляти ще коротші електромагнітні хвилі в діапазоні від 400 до 700 нанометрів — для нас це видиме світло.

Також потрібно пам’ятати, що якщо є два електричні заряди в одній області простору отримане загальне поле в цій точці підсумується і матиме певний напрям. Якщо два поля знаходяться в протилежних напрямках, то загальне поле буде меншим, можливо, це буде навіть нуль, якщо вони повністю скасовують один одного.

Електричні поля в металах

Це саме те, що робить клітка Фарадея: вона скасовує електромагнітне поле, створюючи друге поле з протилежним напрямком. Два поля скасовують один одного і ось виникає ситуація, коли електромагнітної хвилі в певній ділянці простору уже немає.

Для створення клітки Фарадея використовується електропровідний метал. Провідність цього матеріалу дозволяє електричним зарядам у матеріалі клітки рухатися вздовж її поверхні та створювати друге електричне поле, яке гасить електромагнітну хвилю.

Тобто, якщо розмістити телефон всередині клітки Фарадея, надіслані ним сигнали не вийдуть за межі клітки.

Це також працює в інший бік: електромагнітні хвилі, що надходять ззовні, гасяться кліткою Фарадея. Тобто телефон всередині клітки не знатиме, що він отримує текстове повідомлення чи дзвінок – ці сигнали він не отримає.

Використання металів для клітки дуже важливо. Клітка Фарадея складається з електричного провідника – таких металів, як мідь, алюміній чи сталь. У провідному матеріалі атоми можуть ділити один із своїх електронів із сусідніми атомами. Це означає, що в металах електрон може досить легко переходити від одного атома до іншого. В пластиках чи деревині електрони «застрягли» у своїх атомах і не можуть так вільно рухатися.

Оскільки у провідниках електрони можуть досить вільно рухатися, можуть статися деякі цікаві речі. А саме, коли електричне поле стикається з провідником, воно буде переміщувати заряди так, що сумарне електричне поле дорівнює нулю.

А як щодо магнітного поля — воно теж скасовується? Не так, як електричне поле. Проблема в тому, що не існує такого поняття, як магнітний заряд. Це означає, що ви не можете розділити магнітні заряди, щоб скасувати магнітне поле всередині провідника. Але пам’ятайте, що електромагнітна хвиля – це зв’язані електричне та магнітне поля. Якщо ви скасуєте електричне поле, у вас не буде електромагнітної хвилі.

Справжні клітки Фарадея

Клітка Фарадея може бути практично будь-якої форми. Але на практиці ви не можете просто накрити свій телефон будь-яким електричним провідником і очікувати, що він діятиме як клітка Фарадея. Також важливі два фактори: товщина матеріалу і його міцність.

Почнемо з товщини. Одним з параметрів клітини Фарадея є її «глибина оболонки». Це спосіб обчислення мінімальної товщини матеріалу, щоб він міг ефективно гасити електромагнітні хвилі. Глибина скін-сфери залежить від питомого опору матеріалу (наскільки важко рухатися електронам), частоти електромагнітної хвилі, а також магнітних властивостей матеріалу. Це означає, що для радіохвилі більшої довжини знадобиться більш товстий матеріал клітки.

Припустімо, ви обернули свій телефон одним шаром алюмінієвої фольги. Алюмінієва фольга дійсно є провідником електрики, але вона також дуже тонка. Не так багато електронів, які можна переміщати, і вони не можуть віддалятися один від одного, оскільки фольга тонка. Тому, зрештою, вони не можуть ідеально скасувати електричне поле всередині.

Одного шару алюмінієвої фольги буде недостатньо. Але продовжуйте додавати шари алюмінієвої фольги, і настане момент, коли обгорнутий фольгою телефон опиниться поза зоною досяжності.

Клітка Фарадея також може бути сітчастою, а не ідеально твердою. Це складна конструкція, але загалом, якщо діаметр отворів у сітці менший за довжину електромагнітної хвилі, вона має працювати добре.

Уявіть, що у вас є FM-радіо, налаштоване на станцію на частоті 100 МГц. Довжина цієї радіохвилі буде 3 метри. Отже, поки діаметр отворів у стінці клітки Фарадея менший за 3 метри, вона все одно скасовуватиме електромагнітні хвилі цієї довжини.

Сигнал 5G з телефону має набагато меншу довжину хвилі. Цей радіозв’язок у деяких варіантах працює на частотах близько 30 ГГц, що означає довжину хвилі близько 1 сантиметра. Сітчаста клітка Фарадея блокувала б такі телефонні сигнали, якщо діаметр отворів був би менше 1 сантиметра.

За матеріалами: Wired

НАПИСАТИ ВІДПОВІДЬ

Коментуйте, будь-ласка!
Будь ласка введіть ваше ім'я

Євген
Євген
Євген пише для TechToday з 2012 року. Інженер за освітою. Захоплюється реставрацією старих автомобілів.

Vodafone

Залишайтеся з нами

10,052Фанитак
1,445Послідовникислідувати
105Абонентипідписуватися