Электрическая клетка. Может ли клетка иметь отверстия? Применение клетки Фарадея

Назначение устройств первичной защиты состоит в защите от прямых ударов молнии. Они улавливают и отводят ток молнии на землю. Принцип работы основан на защитной зоне, определяемой конструкцией, расположенной выше всех остальных конструкций.

Этот принцип применяется к любому молниеприемнику (мачтовое сооружение, здание или очень высокая металлическая конструкция).

Существуют три типа первичной защиты:

• Стержневые молниеотводы, самые старые и известные устройства молниезащиты.
• Тросовые молниеотводы.
• Сетка или клетка Фарадея.

Стрежневой молниеотвод

Молниеотвод представляет собой конусообразный стержень, расположенный наверху здания.
Он заземляется одним или несколькими проводниками-токоотводами (часто это медные полосы) (см. рис. J8 ).

Рис. J8: Пример защиты с помощью молниеотвода

Проектирование и монтаж молниеотвода - это задача, которой должны заниматься специалисты.

При этом необходимо обеспечить соответствующее расположение проводников-токоотводов (медных полос), испытательных зажимов и заземляющих электродов для отвода высокочастотных токов молнии на землю, а также расстояния их относительно систем электропроводки, газо-, водоснабжения и т.д.

Кроме того, отвод тока молнии на землю индуцирует перенапряжения (из-за электромагнитного излучения) в защищаемых электрических цепях и сооружениях. Такие перенапряжения могут достигать нескольких десятков киловольт. Поэтому, необходимо симметрично развести токи вниз по двум, четырем или более проводникам токоотвода для минимизации электромагнитных эффектов.

Тросовый молниеотвод

Трос натягивается над защищаемым сооружением (см. рис. J9 ). Этот метод применяется для специальных сооружений: площадки для запуска ракет, оборонные объекты, воздушные высоковольтные линии электропередачи (см. рис. J10 ).

Рис. J9: Пример защиты с помощью тросовых молниеотводов

Рис. J10: Молниезащитные тросы

Сетка (клетка Фарадея)

Этот принцип применяется для защиты зданий, в которых размещается компьютерное оборудование или оборудование для производства интегральных схем (микрочипов). Он заключается в разветвлении ряда вертикальных токоотводов снаружи здания. Горизонтальные связи (обвязки) добавляются в случае высотных зданий, например, через каждые два этажа (см. рис. J11 ).
Вертикальные токоотводы заземляются заземлителем типа “воронья лапка”. В результате получается сетка с ячейками 10 х 15 м или 10 х 10 м. Это позволяет обеспечить эквипотенциальное соединение конструктивных элементов здания и развести токи молнии, что значительно снижает электромагнитные поля и индукцию.

Рис. J11: Пример защиты по принципу сетки (клетки Фарадея)

Владелец коктейль-бара в Восточном Суссексе несколько лет наблюдал за тем, как его клиенты практически не общаются друг с другом, утыкаясь в дисплей телефона сразу по приходу в заведение. Даже дружные компании превращались в сборище одиночек после того, как из карманов и сумок доставались телефоны.

Стив Тайлер (Steve Tyler), так зовут владельца бара, решил вернуть старые добрые времена. Для этого он установил в стенах и потолке бара металлическую сеть, которая блокирует сигнал сотовой вышки, не давая ему пройти дальше. Сеть надежно блокировала сигнал сотовой сети, так что в баре пользоваться смартфоном или планшетом с 3G модулем стало бессмысленно. Ни поговорить, ни початиться нельзя. По мнению мистера Тайлера, этот шаг позволил посетителям его бара «стать частью реального мира» и вспомнить о других людях.

То, что установил владелец бара, называется клетка Фарадея . Это система, изобретённая английским физиком и химиком Майклом Фарадеем в 1836 году для экранирования аппаратуры от внешних электромагнитных полей. Обычно такая система представляет собой заземлённую клетку, выполненную из хорошо проводящего материала.

Защищает она лишь от электрического поля, статическое магнитное поле внутрь клетки проникает. В области высоких частот действие такого экрана основано на отражении электромагнитных волн от поверхности экрана и затухании высокочастотной энергии в его толще вследствие тепловых потерь на вихревые токи.

Клетка, которую создал Тайлер, по его собственным словам не является идеальной. Она состоит из серебряной фольги и медной проволочной сети. И хотя надежность системы не 100%, посетители все же потеряли возможность общаться по телефонам. Вместо этого, как утверждает Тайлер, они начали разговаривать друг с другом.

Такой способ блокирования сигнала сотовых и беспроводных сетей Тайлер выбрал потому, что системы подавления сотовой связи, называемые обычно «глушилками» незаконны. Запрещены они не только в Великобритании, но и США. Не так давно Федеральная комиссия по связи (FCC) жителя штата Флорида, США, который использовал мощную глушилку сотовой связи на дороге. Он прятал устройство под сиденьем своего автомобиля Toyota Highlander.

В этом же году 63-летнего жителя Чикаго осудили и приговорили к штрафу за использование такого устройства в поезде с 2014 года. Ловить его пришлось дольше, чем Хамфриса. А проблема заключалась в том, что владелец глушилки мог глушить не только бытовые разговоры людей, но и звонки в службу спасения и полицию. Подозреваемого обнаружили, когда он заглушил связь на телефоне находящегося рядом сотрудника полиции в штатском.

Можно было бы ожидать, что люди будут жаловаться на владельца бара, где заведомо нельзя использовать телефон. Но нет, единственная жалоба поступила от человека, который заметил, что его телефон работает. И его пересадили за другой столик, где сигнал полностью блокировался. По мнению Тайлера, установка клетки Фарадея не запрещена законом. Это пассивный, а не активный способ подавления сотового сигнала. Слова Тайлера подтверждает представитель компании Ofcom: «В отличие от глушителей, клетка Фарадея пассивна, хотя и влияет на прием сигнала».

«Мобильные телефоны стали частью нашей жизни, и если мы идем в бар, клуб или другое место, мы часто берем с собой сотовые. Но телефоны - асоциальный фактор», - говорит Стив Тайлер.

На столиках установлены ретро-телефоны, по которым клиенты могут сделать заказ или пообщаться с другими клиентами заведения.

В далеком 1836 году английский физик и изобретатель Майкл Фарадей создал специальное устройство для экранирования аппаратуры от электромагнитных излучений. Это устройство актуально и по сей день, и как и прежде носит имя ученого. Речь о клетке Фарадея.

Данное устройство представляет собой защитную клетку, изготовленную из обладающего высокой электропроводностью металла, и, как правило, заземленную. Принцип действия этого простого устройства также достаточно прост:

Когда внешнее электрическое поле воздействует на клетку, свободные электроны металла клетки приходят в движение, и противоположные стороны конструкции оказываются заряжены так, что их поле компенсирует внешнее электрическое поле.

Это можно проверить на простом эксперименте с двумя электроскопами и клеткой Фарадея, заряженной от высоковольтного источника: электроскоп, присоединенный к внутренней поверхности латунной клетки Фарадея, и помещенный внутрь нее, не покажет наличия электрического заряда, а электроскоп, подключенный снаружи — покажет.

Постоянное же магнитное поле, в отличие от электрического, внутрь клетки проникнет беспрепятственно. Однако, поскольку переменное электрическое поле, порождающее переменное магнитное поле, экранируется клеткой, то переменное магнитное поле внутрь клетки не проникает, так как просто не успевает возникнуть. По этой причине клетка Фарадея защищает внутреннее свое пространство, и объекты, находящиеся в нем, не только от электрического поля, но и от действия внешних электромагнитных волн.

Если же обратить внимание на высокие частоты, то электромагнитные волны высокой частоты (по сравнению с размером ячейки сетки клетки) будут частично отражаться от клетки, а также будут просто напросто затухать в толще металла, индуцируя в нем вихревые токи, и рассеиваясь в конечном итоге в виде тепла.

Тем не менее, эффективность экранирующей функции клетки Фарадея связана со следующими параметрами: с глубиной поверхностного слоя (скин-слоя), с толщиной металла клетки, и с размером проема по отношению к длине волны внешнего излучения, от которого требуется экранирование. Так, для экранирования кабелей применяют клетки Фарадея с проводниками конструкции из хорошо проводящих материалов. Размер ячейки, для эффективной работы клетки Фарадея, обязательно должен быть сильно меньше длины волны экранируемого излучения.

Разновидность клетки Фарадея каждый может встретить в . На дверце микроволновки присутствует металлическая сетка, ячейки которой достаточно мелки по сравнению с длиной волны, создаваемой магнетроном. Микроволновка работает на частоте 2450 МГц, и длина волны здесь чуть больше 12 см, очевидно, сетка на дверце микроволновки легко экранирует это излучение, не давая ему выйти наружу.

Роль остальной части клетки в микроволновой печи играет металлическая камера, в которой находится разогреваемая пища. Кстати, если в микроволновую печь (в выключенную!) положить сотовый телефон, то он окажется вне зоны действия сети, поскольку волны сотовой связи стандарта GSM еще длиннее, чем волны порождаемые магнетроном микроволновки.

Существуют металлические костюмы, работающие по принципу индивидуальной клетки Фарадея, изготовленные из волокон нержавеющей стали и меди. Такие костюмы используют монтажники высоковольтных линий электропередач, ибо даже отключенная линия, длиной в много километров, скапливает на себе опасное количество статического заряда. А костюм защищает человека от поражения электрическим разрядом.

Подобные защитные комплекты на основе серебряной ткани защищают электромонтеров и от вредного воздействия электромагнитного поля высоковольтных установок, где электрическая составляющая очень высока. Такие комплекты, как утверждают их производители, предназначены для защиты:

от воздействия электрического поля промышленной частоты;

от воздействия тока смещения, вызванного переменным электромагнитным полем;

от воздействия интенсивного электромагнитного излучения, возникающего при разряде между контактами разъединителей;

от разрядов электрического тока при прикосновении к заземленным или изолированным предметам, частям оборудования, а также траве и мелкому кустарнику;

от электротравм при попадании под наведенное или шаговое напряжение.

Комплекты создают замкнутое экранированное пространство вокруг тела человека, облаченного в костюм, исключая любое проникновение электрического поля внутрь. Все элементы комплектов изготавливаются из электропроводящих материалов и соединяются между собой каналами повышенной проводимости и электропроводящими контактными выводами. Благодаря таким костюмам тело человека шунтируется, и обеспечивается безопасное стекание токов электростатической или емкостной природы.

Любители также используют костюмы, напоминающие индивидуальные клетки Фарадея. Ток просто стекает по поверхности костюма на проводящие части с меньшим сопротивлением, не причиняя ущерба человеку, участвующему в шоу.

Как видим, клетка Фарадея применяется сегодня много где. В клетки Фарадея заключают электрические установки высокого напряжения, клетки Фарадея используют в шоу, наконец любое производство, связанное с опасным микроволновым и другим электромагнитным излучением, не обходится без целых цехов и комнат, заключенных в клетки Фарадея.

Надеемся, что данная статья явилась для вас полезной, и теперь вы понимаете, насколько важное значение может иметь простое с виду устройство, напоминающее обычную коробку из сетки. Ведь Клетка Фарадея в различных применениях не только экранирует разнообразное чувствительное к электрическим полям и излучениям оборудование, но и бережет здоровье людей, предотвращая онкологические, и многие другие заболевания, которые могут быть вызваны чрезмерным действием электромагнитных излучений на живой организм.

Андрей Повный

В далеком 1836 году некий английский ученый Майкл Фарадей провел весьма любопытный и познавательный опыт. Согласно его указаниям, большую деревянную клетку оклеили листами оловянной бумаги (станиоля). Затем она была изолирована от земной поверхности и сильно заряжена при помощи Разность потенциалов такой конструкции с землей была настолько сильной, что при приближении к ней тел, соединенных с земной поверхностью, с ее внешней поверхности вылетали искры. Неудивительно, что данная клетка Фарадея многим очевидцам внушала страх. Сам английский физик находился внутри своей конструкции, держа в руках очень чувствительный электроскоп.

Что позволила выяснить клетка Фарадея?

В ходе испытания полностью исправный прибор показывал в руках физика полное отсутствие электрического заряда. А это означает, что подобную конструкцию можно эффективно использовать в роли ограждающего щита. Позже удалось выяснить, что способность такого экрана к нейтрализации электромагнитного излучения во многом зависит от толщины его материала, глубины эффекта поверхности и соотношения размеров проемов с длиной воздействующих волн. Таким образом, позволили людям найти способ защитить чувствительную аппаратуру и здоровье человека от вредного воздействия мощного Данное свойство получило широкое применение на практике, и сложно представить, что было бы с человечеством, если бы не изобретательность и смелость отважного физика.

Как действует клетка Фарадея?

Когда замкнутая электропроводящая оболочка попадает в электрическое поле, оно начинает воздействовать на свободные электроны, в результате чего противоположные стороны такой конструкции приобретают заряды, создающие в свою очередь поле, полностью компенсирующее внешнее воздействие. Следует отметить, что клетка Фарадея может защитить лишь от электрического поля. А магнитное поле, при условии что оно статично, свободно проникает внутрь. Поэтому компас внутри такой конструкции будет работать правильно. В случае же динамического электрополя происходит следующая вещь: оно создает динамичное магнитное поле, которое, согласно законам физики, генерирует свое меняющееся электрополе, препятствующее созданию магнитного поля внутри такого экрана.

Современные клетки Фарадея

В настоящее время открытое английским физиком явление используется для радиочастотных кабин, экранированных комнат, РЧ-боксов. Такие помещения широко используются везде, где нужно обезопасить человека от электрического поля. В качестве электропроводящего материала теперь обычно применяют мелкую металлическую сетку либо листы перфорированной стали, а сами конструкции обязательно заземляют для того чтобы рассеять любые электрические токи, которые могут появиться от внешних излучений.
Кроме того, клетка Фарадея широко применяется для проведения всевозможных тестов компьютерного оборудования, электронных компонент и т. д. Существуют даже специальные индивидуальные экранирующие комплекты, а некоторые компании предлагают для большей безопасности экранировать людям свои квартиры.

Спрячьте ваш сотовый телефон или смартфон от мира, заблокировав любые входящие и исходящие радиочастоты при помощи кармана Фарадея. Подобные чехлы и сумки уже появились в продаже в магазинах для гиков и на Кикстартере под лозунгом «Защити данные от взлома». Упакованный в подобный чехол, ваш девайс больше незасекаем для любых WiFi, GPS, Bluetooth, ГЛОНАСС и для самого поставщика услуг связи, т. е. оператора.

Также подобный карман - отличный способ мгновенно «заткнуть» ваш телефон по необходимости: например, если вы находитесь в кинотеатре, в засаде (шутка) или просто хотите прекратить назойливые звонки от некоей личности.

Для этого вам надо просто проложить карман брюк (или другой подходящей одежды) специальной тканью с мелким металлическим плетением в ней, и карман сможет отражать любые входящие сигналы и впитывать энергию. Эффект защиты чего-либо посредством токопроводящей ткани также называется «Клетка Фарадея» (по имени ученого, клетку изобретшего, Майкла Фарадея), от чего пошло название и карманов, сумок, чехлов.

Сшить нечто подобное своими руками - раз плюнуть. К тому же для пытливых умов это забавный научный эксперимент с электрическим полем. Токопроводящую ткань легко найти в продаже в Рунете. Выбирайте рипстоп (укрепленная ткань) с плетением из никеля/меди: у такой ткани высокий рейтинг экранирования и с ней легче всего работать. И помните, что для требуемого эффекта слой подобной ткани не обязан быть толстым, что облегчает дело.

1. Выберите пару брюк, которые вам не жалко переделать. Резать одежду не придется, так что вы их не испортите: выбирайте те, что вы носите чаще всего, либо просто обшейте подобным образом карманы у нескольких пар. Кому-то актуально будет обшить токопроводящей тканью оба кармана, но помните, что вам нужно и обычное место, чтобы носить нормально работающий мобильный телефон.

2. Выворачиваем брюки наизнанку, расправляем один карман и подкладываем под него край токопроводящей ткани. Оптимально, чтобы карман уместился полностью - от швов, скрепляющих его с брюками до нижних швов самого кармана. Маркером для ткани или чем угодно еще (от ручки до мелка или заостренного кусочка мыла) обводим карман на токопроводящей ткани.

3. Вытаскиваем ткань, складываем ее так, чтобы на обведенной области получить 2 слоя материала, скалываем в этом месте ткань булавками и вырезаем 2 стороны для кармана - с припусками по всему периметру в 1,5-2 см.

4. Вынимаем булавки, кладем по одной вырезанной детали из материала на каждую сторону кармана, закрывая последний токопроводящей тканью полностью. Булавками скалываем оба слоя ткани и карман вместе, чтобы все отлично держалось, где положено.

5. Швейную машинку заправляем обычными крепкими нитками и выставляем меньшую (максимум среднюю) длину шага обычного прямого шва. По периметру с отступом от края в 1,5-2 см сшиваем края кармана и оба куска токопроводящей ткани, где получится. Остальные - труднодоступные - места дошиваем иголкой с ниткой вручную. Сверху поперек кармана!также прошиваем карман насквозь! Т. е. сшиваем вместе все 4 слоя: 2 стороны кармана и верх 2-х кусков токопроводящей ткани, оставляя лишь маленькое отверстие, чтобы класть и вытаскивать телефон (но и делать это без особого труда, т. к. вы можете порвать карман пальцами).

Небольшие отверстия в кармане/чехле/сумке Фарадея оставлять можно - до тех пор, пока они малы относительно длины падающей электромагнитной волны. К примеру, волна 1 Ггц обладает длиной 0,3 метра в свободном пространстве. И пока отверстие значительно меньше, чем этот размер (например, несколько миллиметров), оно не пропустит большое количество падающей волны. Поэтому оставшееся в кармане отверстие под телефон необходимо заделывать - например, токопроводящей изолентой или можно, одновременно сшивая попарно свой слой ткани и одну сторону кармана, вшить внутрь кармана липучку по всей ширине отверстия сверху. Но можно и не вшивать и не вклеивать, т. к. на джинсах, например, плотная ткань и так будет держать края кармана сведенными.

Для наилучшего результата телефон в кармане должен всегда быть полностью закрыт токопроводящей тканью. Но сунули руку в карман без липучки или просто нагнулись/присели - и все, сигнал опять начнет проходить.

Сумка/чехол

В отношении отверстий и надежности гораздо лучше по аналогии (токопроводящая ткань плюс плотная ткань просто чтобы чехол был крепким) сшить для любого вашего девайса - будь то смартфон или планшет - чехол или сумку на липучках, проходящих по всему открытому краю со всех сторон.