Клетка фарадея своими руками из подручных материалов. Пример изготовления КФ в домашних условиях

В 1836 году легендарным английским учёным Фарадеем было изобретена установка для экранирования пространства от воздействия внешних электромагнитных полей. Изобретение получило название «Клетка или щит Фарадея». На английском языке это пишется как «FARADAY SHIELD».

Принцип действия

Клетка Фарадея (КФ) представляет собой защитное сооружение, ограждающие плоскости которого сделаны в виде решёток из металлических стержней высокой электропроводности с заземлением. Принцип работы установки довольно прост.

Когда электрическое поле «соприкасается» с поверхностью решётки, электроны металлических стержней начинают активное движение. Противоположные поверхности конструкции заряжаются таким образом, что вместе они противостоят проникновению внешних электрических полей.

Что касается магнитного поля, то по причине своего переменного свойства оно просто не успевает проникнуть сквозь металлическую сетку. Всё, что находится в клетке Фарадея, надёжно защищено от воздействия внешнего электрического поля и электромагнитных волн. Плоскости, ограждающие пространство из металлических сеток, называют экранами.

Самый простой пример, где используется эффект Фарадея, – это микроволновая печь. Атрибут кухонного оборудования можно встретить практически в каждом жилище. Передняя прозрачная панель покрыта металлизированной решёткой, остальной металлический корпус печи дополняет конструкцию КФ. Решётка экранирует, как исходящее излучение телефона, так и не пропускает внешние электромагнитные волны. В результате аппарат оказывается вне зоны действия связи.

Сферы применения эффекта КФ

Свойства экранизированного пространства с успехом используют в различных сферах человеческой деятельности. Это могут быть отдельные помещения, небольшие ёмкости и даже рабочая одежда.

РЧ-кабина

Радиочастотная кабина представляет собой экранированное помещение. Под покрытием стен, потолка и пола заложены решётки, сделанные из немагнитных металлов, имеющих высокую проводимость. Конструкции могут принимать различные объёмы и конфигурации – это РЧ-комнаты, кабинеты и боксы.

МРТ помещения

Таким образом, обустраивают кабинеты МРТ (помещения с аппаратурой для проведения магнитно-резонансной томографии). Клетка Фарадея обязательно должна иметь заземление.

Назначение ограждений помещения состоит в том, чтобы не пропускать внутрь электромагнитные помехи от внешних источников излучения. Этим добиваются высококачественных результатов магнитно-резонансной томографии без каких-либо искажений.

Для обеспечения полноценной работы в РЧ-кабине необходимо соблюдать следующие условия:

• должен быть правильно определен рабочий диапазон частот;
• материалы для экранов ограждающих конструкций, в том числе для РЧ-окон и дверей, должны отвечать техническим требованиям;
• узлы экранов и способы их соединения между собой, а также крепление их к стенам, полу и потолку, экранирование коммуникаций различного назначения должны быть выполнены строго в соответствии с проектной документацией;
• кабели должны быть установлены таких типов и размеров, какие указаны в проекте.

Важно! Проектирование кабины МРТ в каждом случае определяется сугубо индивидуальным подходом. Созданием и обустройством РЧ-кабин занимаются специализированные предприятия, имеющие соответствующий пакет разрешающих документов.

Лаборатории

В научно-исследовательских учреждениях и в заводских условиях востребованы помещения, изолированные от воздействия внешних электромагнитных «шумов». Для организации таких лабораторий привлекаются специализированные фирмы, которые производят расчёты и устанавливают ограждения.

Защитные костюмы

Металлизированные костюмы являются индивидуальными КФ. Рабочая одежда изготавливается из нитей нержавеющей стали, серебра и меди. При временном отключении линии электропередачи длиною несколько километров в проводах остаётся большой статический заряд. Поэтому во время инспекции и при ремонте электропередающих средств работники одевают защитные костюмы.

Безопасная рабочая одежда предназначена для предотвращения воздействия:

• промышленного электрического поля;
• тока от переменных электромагнитных полей;
• активного электромагнитного потока во время развода контактов разъединителей;
• тока от прикосновения к заземлённым предметам, грунту, дереву или кустарнику;
• шагового напряжения.

В мире развлечений

Давно популярны аттракционы с демонстрацией электрических разрядов, центром которых является клетка Фарадея. Эффектно смотрятся ветвистые потоки молний вокруг человека, не причиняя ему никакого вреда.

Обратите внимание! Несмотря на бытующее мнение о том, что боязнь людей электромагнитного излучения надумана, проблема проживания вблизи мощных ЛЭП довольно актуальна. Можно встретить частные постройки, полностью изолированные от влияния внешних негативных излучений. До сих пор до конца не изучена степень опасности воздействия электромагнитных волн на человека.

Надо ли делать заземление

Нуждается клетка Фарадея в заземлении? Это зависит от величины защитной конструкции. Существует мнение, что небольшие клетки не нуждаются в заземлении. Большие сооружения должны быть обязательно заземлены. Дело в том, что в них может накапливаться мощный заряд, который может «выстрелить» в человека, случайно коснувшегося решётки.

Клетка Фарадея своими руками

Изобретение в бытовых условиях часто используют для защиты домашних электронных приборов (смартфонов, планшетов и т.д.). Для изготовления своими руками КФ используют любую подходящую по объёму ёмкость, будь то коробка, кастрюля, ведро или мусорный бак.

Ёмкость обязательно должна плотно закрываться крышкой. Внутреннюю поверхность необходимо покрыть диэлектрическим материалом.

Пример изготовления КФ в домашних условиях

Для хранения различных гаджетов и небольших приборов можно использовать такой предмет, как обыкновенный фанерный ящик. Поступают следующим образом:

1. Фанеру очищают от пыли и загрязнений;
2. Разрезают рулон пищевой фольги на нужные отрезки;
3. Оборачивают всю внешнюю поверхность ящика и его крышку фольгой матовой стороной внутрь;
4. Места соединений изоляции скрепляют скотчем;
5. На дно ящика укладывают один или несколько ковриков для компьютерной мышки;
6. Проверяют плотность прилегания крышки к ящику по всему периметру, не допуская зазоров и разрывов фольгированной поверхности.

В случае использования металлической ёмкости нужно позаботиться об изолировании внутренней поверхности клетки картоном или листами фанеры. Так бывает, когда домовладельцы устраивают КФ в одной из своих комнат.

Тестирование КФ

Самый простой способ проверить работоспособность клетки заключаются в том, что внутрь помещают радиоприёмник, настроенный на мощный FM-сигнал и включённый на полную громкость. В правильно сделанной клетке воцарится полная тишина. Если всё же приёмник будет работать даже очень тихо, нужно искать причину в наличии разрывов в экранированной поверхности конструкции.

Таким же способом можно тестировать КФ с помощью мобильного телефона. Попав в клетку, мобильник сразу же окажется вне зоны действия. Чтобы в этом убедиться, достаточно набрать его номер – телефон будет молчать.

Дополнительная информация. Необходимо помнить о том, что длина волны 1 ГГц равняется 30 см. При максимальной величине ячейки сетки 3 х 3 см безопасность будет обеспечена. Поэтому в целях экономии вместо сплошного материала применяют сетки.

Клетка Фарадея – это гениальное изобретение великого английского учёного того времени остаётся по-прежнему актуальным по сей день. С появлением на рынке новых материалов возможности по созданию КФ различной конструкции значительно расширяются.

Видео

Клетка Фарадея или «щит Фарадея» — это замкнутое пространство для предотвращения прохождения электромагнитных полей. Клетка изготавливается из токопроводящего сплошного материала или токопроводящей сетки, обычно ее еще и заземляют. Названа она так по имени английского ученого Майкла Фарадея, изобретшего ее в 1836 году.

История открытия

В 1836 году Фарадей заметил, что избыточный заряд на заряженном проводнике локализуется лишь на его внешней стороне и не оказывает никакого влияния на предметы внутри. Для демонстрации этого факта он оборудовал комнату, покрытую металлической пленкой, и подавал на внешнюю сторону комнаты высоковольтный заряд от электростатического генератора.

Для доказательства отсутствия электрических зарядов на внутренних сторонах стен комнаты Фарадей использовал электроскоп. Электроскоп внутри комнаты, либо при подсоединении его к внутренней поверхности, фиксировал отсутствие заряда, в то время как у электроскопа, подсоединенного к наружной поверхности, листочки расходились.

Для демонстрации эффекта выталкивания поля в клетку помещались небольшие животные. При подведении к ней мощного электрического заряда от электростатического генератора, заряд не причинял животным никакого вреда, поскольку стекал по ее поверхности.

Хотя проявление этого эффекта было приписано знаменитому эксперименту с цилиндром Фарадея (или «ведерком со льдом»), проведенном Майклом Фарадеем в 1843 году, наблюдал феномен еще в 1755 году американский ученый Бенджамин Франклин. Опыт заключался в том, что Франклин опускал подвешенный на шелковой нити незаряженный пробковый шарик через отверстие в заряженную металлическую банку. По его словам, «пробка не притягивалась к внутренним стенкам банки, как она притягивалась к наружным. Хотя пробка была опущена до дна банки, по вытаскиванию из нее она оказалась незаряженной вследствие касания, что наблюдалось, когда пробка касалась наружной стороны банки». Этот эффект также был открыт задолго до Фарадея итальянским физиком Джованни Батиста Беккариа.

Принцип действия

Принцип действия клетки заключается в том, что внешнее электрическое поле приводит к перераспределению свободных электронов в токопроводящем материале клетки таким образом, что противоположные стороны клетки заряжаются. Их поле компенсирует внешнее поле, и внутри поле отсутствует. Этот принцип лучше всего понимается, если клетку представить идеальным полым проводником. Перераспределение зарядов вызывает в проводнике электрический ток, который прекращается, когда внешнее электрическое поле компенсируется.

Экранирующее действие замкнутых металлических оболочек было теоретически предсказано в 1813 году французским математиком и физиком Симеоном Дени Пуассоном. Позднее, в 1828 году, английским математиком и физиком Джорджем Грином. Предсказание ученых основывалось на том, что внутри замкнутой металлической оболочки электрический потенциал постоянен, следовательно, напряженность электрического поля равна нулю, что и является доказательством ее экранирующих свойств.

Клетка Фарадея не в состоянии оградить внутреннее пространство от постоянного либо медленно меняющегося магнитного поля, например, поля земного магнетизма (компас внутри клетки продолжает правильно показывать на Север). Но, поскольку переменное магнитное поле создается переменным электрическим полем, а переменное электрическое поле в клетку не проникает, то не проникает в нее и переменное магнитное поле. Следовательно, клетка защищает находящиеся в ней объекты (и человека) от действия электромагнитных волн. Для экранирования высокочастотного излучения размер ячейки клетки должен быть меньше длины волны излучения.

Эффективность экранирования статического электрического поля зависит от формы токопроводящего материала. В случае изменяющегося электрического поля, и при наличии сопутствующего изменяющегося магнитного поля, чем быстрее эти изменения (т.е. чем выше частота), тем лучше материал сопротивляется проникновению поля. С другой стороны, с повышением частоты поле лучше проникает через сетку с заданным размером ячеек. В этом случае экранирование зависит от электрической проводимости материала клетки, а также его толщины.

Если заряд помещается внутри незаземленной клетки, ее внутренняя поверхность заряжается (аналогично описанному выше процессу с внешним зарядом). Клетка Фарадея блокирует исходящие из нее электромагнитные волны в меньшей степени, чем входящие, и, таким образом, прибор слежения, или «маячок», особенно работающий на высокой частоте, может «пробить» поверхность клетки, работая изнутри.

Лифты и прочие помещения с металлическими проводящими каркасами и стенками могут приводить к пропаже сигнала и появлению «мертвых зон» для пользователей сотовых телефонов, раций, и прочих электронных устройств, принимающих внешние радиосигналы.

Для экранирования излучения работающего внутри микроволновой печи магнетрона с длиной волны порядка 12 см корпус печи выполнен из сплошного металла (нержавеющей стали). Прозрачное окно дверки представляет собой пакет из стеклянных или пластмассовых пластин с обязательным металлическим перфорированным листом между ними. Диаметр отверстий в листе не выше 1-3 мм, что полностью исключает выход излучения из микроволновой печи. Отсутствие просачивания излучения через щель между дверкой и камерой обеспечивается особой конструкцией щели с размерами, подобранными под длину волны излучения.

Ошибкой будет считать, что клетка Фарадея обеспечивает полное блокирование радиосигнала или его подавление. Степень ослабления клеткой излучаемого или принимаемого, радио- или телевизионного сигнала зависит от формы электромагнитной волны, ее частоты и расстояния до приемника/передатчика. Также их чувствительности и излучаемой мощности. Клетка с ограждением из прочного стального листа обеспечивает лучшее подавление, чем выполненная из сетки.

Применение

Ниже приведен ряд примеров использования клетки и схожих устройств для защиты людей и оборудования.

• Клетка защищает людей и оборудование от электрических токов , возникающих при ударе молнии и электростатических разрядах, поскольку клетка обводит токи за пределами защищенного пространства, без ответвления их внутрь.
• Салоны автомобилей и самолетов также являются клетками, предохраняющими пассажиров от электрических разрядов молний.
• На производствах, связанных с наличием опасного электромагнитного излучения , целые цеха и комнаты заключены в клетки Фарадея. Это сберегает людям здоровье и предотвращает ряд заболеваний.
• Специально разработанные электропроводящие костюмы для монтажников высоковольтных линий электропередач позволяют работать на линиях без риска получения электротравм от статического заряда. Подобные костюмы предотвращают прохождение электрического тока через тело человека, и теоретически защищают от любого напряжения. Электрики-высоковольтники в таких костюмах успешно работали на уникальной высоковольтной линии электропередачи Экибастуз-Кокшетау в Казахстане напряжением 1150 кВ.
• Клетка Фарадея используется для ограждения генераторов радиоизлучений (радиопередатчиков) и защиты прочих находящихся вблизи электронных устройств.
• Помещение для магниторезонансной томографии представляет собой клетку Фарадея, и исключено искажение снимаемых с пациента данных внешними радиопомехами, что нарушило бы получаемое томографическое изображение.
• В аналитической химии клетка Фарадея применяется для снижения уровня помех при проведении точных измерений.
• По стандартам США и НАТО , и аналогичным стандартам других стран, клетка применяется для предотвращения утечек информации из компьютеров.
• Клетка Фарадея в виде сумки или чехла используется для предотвращения стирания и изменения с преступными намерениями цифровых данных на электронных носителях.
• Экранирующие оболочки USB-кабеля или телевизионного коаксиального кабеля защищают внутренние проводники от воздействия внешних помех и предотвращают утечку полезного высокочастотного сигнала.
• Сумка магазинного вора (пластиковый пакет, выложенный изнутри алюминиевой пленкой), действует как клетка Фарадея и используется магазинными ворами для кражи товаров, снабженных радиометками.

Из этих примеров видно, что предсказанное свыше 200 лет назад явление, широко популяризированное Майклом Фарадеем. Повсеместно используется в науке, технике, и даже взято на вооружение криминальным миром, при этом успело обрасти множеством мифов. Один из мифов, отраженный в фильме об информаторе Сноудене, заключается в том, что микроволновая печь полностью блокирует излучение мобильного телефона. Это не так, частота передачи данных стандарта мобильной связи GSM отличается от частоты магнетрона микроволновки, и щель между корпусом и дверкой становится прозрачной для сигнала сотовой связи. Т.е. микроволновая печь не является клеткой Фарадея в полном смысле этого понятия – в настоящей клетке никаких щелей быть не должно. По этой же причине не блокирует помещенный внутрь мобильный телефон камера холодильника.

Хотя сотовые операторы щедро финансируют продажных ученых через гранты и те пишут пачками доклады о пользе СВЧ-излучения для организма человека, находятся люди, которые всё же задумываются: а так ли это безопасно? И почему богатые и могущественные люди, владеющие сотовыми компаниями и фабриками по производству смартфонов и Wi-Fi-оборудования, сами не спешат обкладываться источниками высокочастотного радиоизлучения, а Для таких размышляющих граждан французская компания Spartan выпустила удивительный девайс - портативную клетку Фарадея.

Что такое клетка Фарадея?

Клетка Фарадея - устройство, действительно отдаленно напоминающее клетку, которое выполнено из токопроводящих элементов и предназначено для защиты от электромагнитного излучения. Предмет, помещенный в клетку Фарадея, не будет испытывать воздействие внешних ЭМ-полей и наоборот. Говоря простым языком, клетка - простой и эффективный способ защититься от излучения.

Итак, клетка придумана давно, эффективность доказана, но почему ее раньше нельзя было использовать для защиты от излучения мобильников? Ответ очевиден: мало кто захочет добровольно сидеть в клетке. Даже ради собственного здоровья.

Технологическая революция в Spartan

Инновационный прорыв французских ученых из Spartan заключался в том, что они первыми в мире догадались сделать клетку Фарадея транспортируемой. Человек просто одевает ее на себя и может относительно свободно передвигаться. Но оставалась проблема - клетконоситель, с эстетической точки зрения, продолжал выглядеть как ушлепок. Не каждый бы решился прийти в ней на работу. И тогда ученые совершили вторую технологическую революцию и изготовили клетку в форм-факторе, предполагающем ношение под одеждой. Встречайте - тазовый электромагнитный щит «Spartan».

Трусы Spartan (модель «Спартанец»)

Прутья клетки выполнены в виде серебряных нитей, вплетенных в изделие. Девайс экранирует до 99% электромагнитного излучения СВЧ-диапазона. Хочешь - подноси смартфон к яйцам (см. фото). Хочешь - расположи ноутбук на причиндалах (см. фото ниже). Результат один - самая важная часть организма надежно защищена от облучения.

Себестоимость устройства - 2 500 рублей. Приобрести тестикульный электромагнитный щит можно будет уже в июне 2017 года.

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) наказала 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.