كيفية بناء قفص فاراداي

قد تكون الكهرباء خطيرة ، ولكن اتخاذ احتياطات السلامة المناسبة يمكن أن يتيح لك دراسة كيفية تدفق الشحنات ، وكيف تحدث المجالات الكهربائية وكيف تعمل الظواهر الأخرى في الكهرباء.

منذ فجر الكهرباء في الفيزياء ، استخدم العلماء المعدات لحماية أنفسهم من الأذى عند إجراء التجارب. ستخلق هذه المعرفة أقفاص فاراداي كطرق لمنع إصابة الناس بالكهرباء.

•••سيد حسين أثير

​أقفاص فارادايأودروع فارادايحجب المجالات الكهرومغناطيسية باستخدام مواد موصلة على سطحها لإعادة توجيه الموجات الكهرومغناطيسية. يتسبب المجال الكهربائي الخارجي في تغير الشحنات الكهربائية في مادة القفص في كيفية حدوثها موزعة فيما يتعلق بالحث الكهروستاتيكي لمنع المجال من دخول داخل قفص.

على الرغم من أنهم لا يستطيعون منع المجالات المغناطيسية المتغيرة البطيئة مثل تلك الموجودة في الأرض ، فقد تم استخدام أقفاص فاراداي إنشاء غرف محاطة بشبكات معدنية أو صفائح مثقبة لمنع التيارات الكهرومغناطيسية من الدخول.

• تمنع أقفاص فاراداي المجالات الكهرومغناطيسية من الدخول أو الهروب ويمكن بناؤها من الألومنيوم أو المواد المعدنية. يمكن أن تكون مصنوعة من مواد بسيطة بما في ذلك الأسلاك المعدنية والكرتون أو الخشب.

عندما يتلامس مجال كهربائي خارجي مع القفص ، يولد القفص نفس المجال الكهربائي كما لو تم وضع الشحنة بالداخل. يتم تحييد السطح مع تدفق الشحنات الزائدة إلى الأرض إذا تم تأريض القفص. يمنع هذا الجهد من التكون على الجانب الآخر من القفص حتى لا يمر الحقل بالمواد. أعادت الشحنات توزيع نفسها على الجانب الآخر من المادة حيث يتم تحفيز الشحنات الكهروستاتيكية على السطح.

تتطلب هذه الطريقة لبناء قفص فاراداي صفائح معدنية من النحاس أو الألومنيوم ، وشريطًا ، ومقصًا ، وعبوة من الورق المقوى أو حاوية مواد مماثلة ، وبالون لاختبار ما إذا كان القفص يعمل أم لا. المواد التي تعمل بشكل أفضل هي أسلاك الألمنيوم أو النحاس أو الدجاج لقفص فاراداي بأسلاك الدجاج. تتطلب أقفاص فاراداي الكثير من الاتصال بين المكونات المعدنية لذلك يمكن أن يعمل التصميم الشبكي بشكل جيد.

قم بتشكيل الحاوية في درع أو قفص فاراداي عن طريق تحويله ، على سبيل المثال ، إلى صندوق يمكن أن يحميك من محيطك. لف ورق القصدير أو الصفائح المعدنية حول الحاوية. تأكد من أن القفص لديه الكثير من التلامس بين الصفائح المعدنية.

قص شاشة بحيث يمكنك رؤية الخارج من داخل القفص. تأكد من أن الثقوب أصغر من الطول الموجي للإشعاع الكهرومغناطيسي الذي تريد منعه من الدخول.

بعض التعليمات العامة هي:

1. قم بقياس 10 × 10 بوصة مربعة من شبكة معدنية للشاشة وقم بقصها.
2. وبالمثل ، قم بقص خمسة أطوال بطول 8 بوصات من الخشب أو الورق المقوى.
3. قم بتدبيس أو لصق أو ربط الشبكة المعدنية بالخشب أو الورق المقوى بطريقة أخرى.
4. انضم إلى الشرائط حول الشبكة على بعد حوالي 5 إلى 6 بوصات من بعضها البعض بحيث تغطي أو تحيط بالشبكة بأكملها.
5. قم بتشكيل المادة في صندوق أو حاوية لإنشاء قفص فاراداي.

حاول استخدام هاتفك الخلوي داخل القفص. هل يستقبل أو يرسل إشارات wifi؟ لا يزال يتعين عليك الحصول على كمية أقل من شبكة wifi لأن أقفاص فاراداي يمكن أن تخفف من تردد الهواتف المحمولة ، ولكن لا توقفها تمامًا.

تحتوي موجات الراديو التي تستخدمها الهواتف المحمولة على ترددات صغيرة بما يكفي للتسرب من خلال ثقوب صغيرة في القفص ، لذا ستحتاج إلى لحام أو لحام فجوات صغيرة في قفص فاراداي للعمل ضدها.

يستخدم الكيميائيون أقفاص فاراداي لتقليل الضوضاء من المصادر الخارجية أثناء إجراء قياسات دقيقة. يستخدم باحثو الطب الشرعي الرقمي حقائب فاراداي ، أقفاص فاراداي المصنوعة من نسيج معدني مرن ، لمنع المسح عن بعد وتعديل الأدلة الجنائية.

أقفاص فاراداي توفر الأمان لأجهزة الكمبيوتر لإحباط إجراءات مثل التجسس. تعمل السيارات والطائرات بشكل أساسي كأقفاص فاراداي من خلال منع الركاب من ملامسة الشحنات الكهربائية الضارة.

تُستخدم أقفاص فاراداي أيضًا في منع أجهزة الإرسال اللاسلكية من التدخل في المعدات الأخرى وحماية الأفراد والأشياء من تيارات الصواعق والتفريغ. الأجهزة المنزلية تستخدمها أيضًا. تحتوي أفران الميكروويف على دروع لمنع الموجات من الخروج من الداخل بينما تقلل كابلات التلفزيون من التداخل الكهرومغناطيسي الخارجي لإنشاء الصور.

يمكن أن تؤثر الموصلية المختلفة للمعادن على كيفية منع أقفاص فاراداي من دخول المجالات الكهربائية. النحاس هو الأكثر فاعلية ، ويستخدم في مرافق التصوير بالرنين المغناطيسي في المستشفيات وأجهزة الكمبيوتر ، والتي يمكن تشكيلها في سبائك النحاس والبرونز الفوسفورية لأغراض أكثر تحديدًا.

يعتبر الألمنيوم مادة جيدة أيضًا لأنه قوي لوزنه وموصلية عالية ، ولكنه يمكن أن يصدأ بمرور الوقت ولا يتم لحامه جيدًا. تشمل الميزات الأخرى في تصميم أقفاص فاراداي السعر ، والتآكل ، والسمك ، والقابلية للتأقلم ، والترددات المحظورة ، وكيف يمكن تشكيل المواد نفسها في قفص.

•••سيد حسين أثير

أقفاص فاراداي تحمي دواخلها من المجالات الكهربائية ، وهو مجال قوة يحيط بالجسيمات المشحونة مثل البروتونات أو الإلكترونات. يمكن استخدام قانون كولوم لوصف القوة الكهربائيةهمثل

بحيثصهو نصف القطر بين الجسيمات المشحونة ،ε​₀ هو عدد ثابت من سماحية الفراغ تبلغ 8.854 × 10⁻¹² فم⁻¹ وه₁ ه​​₂هي شحنات الجسيمات.

عندما تكون داخل القفص ، يمكن قياس أي كهرباء تتلامس مع السطح الخارجي باستخدام هذه الصيغة. يبقى المجال الشبكي داخل القفص صفراً ، مما يحمي كل ما بداخله.

يجب أن تكون الشحنات في الموصل ، مثل المادة الموصلة لقفص فاراداي ، عند التوازن ، متباعدة قدر الإمكان حتى تظل الشحنة على السطح. هذا يبقي المجال الكهربائي داخل الصفر. إذا قمت بإحضار جسم موجب الشحنة إلى الخارج من القفص ، فإن الإلكترونات الموجودة على السطح الداخلي سوف تتراكم حوله لإلغائه.

إذا تخيلت نفسك في منزل فاراداي قفص ، يمكنك استخدام مواد مختلفة لحماية نفسك من التداخل الكهرومغناطيسي.

النحاس هو العنصر الأكثر موثوقية في تطبيقات التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) في الطب لحماية الناس من أضرار الإشعاع الكهرومغناطيسي. من السهل أيضًا الدمج مع العناصر الأخرى لإنشاء سبائك مثل النحاس الأصفر والبرونز الفوسفوري ونحاس البريليوم التي لها قيم توصيل أعلى.

الفولاذ المطلي بالقصدير هو مادة فعالة من حيث التكلفة تمنع الترددات المنخفضة من الدخول. يعتبر الفولاذ الكربوني خيارًا مثاليًا آخر يمكنه منع الترددات التي تفوتها السبائك والعناصر الأخرى. غالبًا ما تأتي هذه المواد مع طلاء بالقصدير لمنعها من التآكل.

تشتهر سبائك النحاس بقدرتها على مقاومة التآكل. يعد الألمنيوم خيارًا مثاليًا آخر ، بينما تحتاج إلى فحص تآكله وأكسدته الجلفانية الخصائص ، يمكن أن تخدم مجموعة متنوعة من التطبيقات نظرًا لنسبة القوة إلى الوزن الجيدة وكمية عالية من التوصيل.

•••سيد حسين أثير

في عام 1836 ، لاحظ الفيزيائي مايكل فاراداي Michael Faraday أن الموصل المشحون سيخزن الشحنة الزائدة داخل المادة نفسها ، وليس في التجويف الذي يحيط به الموصل. طلى غرفة برقائق معدنية. مع وجود مولد إلكتروستاتيكي بالخارج ، لاحظ أنه لا توجد شحنة بالداخل وفقًا لمكشافه الكهربائي ، وهو جهاز يستخدم لقياس الشحنة الكهربائية. لقد استخدم ذلك لبناء قفص فاراداي لهذا المولد.

بعد سبع سنوات ، أظهر فاراداي بقايا الشحنة على سطح موصل للأسطح المعدنية. باستخدام دلو معدني به ثلج ، أظهر أن الشحنة الكهربية في غلاف الموصل تخلق شحنة على السطح الداخلي للقذيفة. لم تؤثر الشحنة على الحجم الداخلي للقذيفة. باستخدام المكشاف الكهربائي لقياس الشحنات الكهربائية ، ستصبح تجربته أول تجربة كمية على الشحنة الكهربائية.