Πώς να φτιάξετε ένα κλουβί Faraday

Η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να είναι επικίνδυνη, αλλά η λήψη των κατάλληλων προφυλάξεων ασφαλείας μπορεί να σας επιτρέψει να μελετήσετε πώς ρέουν τα φορτία, πώς συμβαίνουν τα ηλεκτρικά πεδία και πώς λειτουργούν άλλα φαινόμενα στην ηλεκτρική ενέργεια.

Από την αρχή της ηλεκτρικής ενέργειας στη φυσική, οι επιστήμονες έχουν χρησιμοποιήσει εξοπλισμό για να προστατευθούν από βλάβες κατά την εκτέλεση πειραμάτων. Αυτή η γνώση θα δημιουργούσε κλουβιά Faraday ως μεθόδους πρόληψης τραυματισμού των ανθρώπων από τον ηλεκτρισμό.

•••Σουντ Χουσεΐν Άθερ

​Κλουβιά FaradayήFaraday ασπίδεςμπλοκάρετε τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία χρησιμοποιώντας αγώγιμα υλικά στην επιφάνειά τους για να ανακατευθύνετε τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Το εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο προκαλεί την αλλαγή των ηλεκτρικών φορτίων στο υλικό του κλωβού ως προς το πώς είναι διανέμεται σε σχέση με την ηλεκτροστατική επαγωγή για να εμποδίσει το πεδίο να εισέλθει στο εσωτερικό του κλουβί.

Αν και δεν μπορούν να μπλοκάρουν αργά ποικίλα μαγνητικά πεδία όπως αυτό της Γης, τα κλουβιά Faraday έχουν συνηθίσει δημιουργήστε δωμάτια που περιβάλλονται από μεταλλικά πλέγματα ή διάτρητα φύλλα για την αποφυγή ηλεκτρομαγνητικών ρευμάτων μπαίνω.

• Τα κλουβιά Faraday εμποδίζουν την είσοδο ή διαφυγή ηλεκτρομαγνητικών πεδίων και μπορούν να κατασκευαστούν από αλουμίνιο ή μεταλλικές ουσίες. Μπορούν να κατασκευαστούν με απλά υλικά, όπως μεταλλικό σύρμα και χαρτόνι ή ξύλο.

Όταν ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο έρχεται σε επαφή με το κλουβί, ο κλωβός παράγει το ίδιο ηλεκτρικό πεδίο σαν να τοποθετήθηκε το φορτίο μέσα. Η επιφάνεια εξουδετερώνεται με υπερβολικό φορτίο που ρέει στο έδαφος εάν το κλουβί είναι γειωμένο. Αυτό εμποδίζει το σχηματισμό τάσης στην άλλη πλευρά του κλωβού, ώστε το πεδίο να μην περνά το υλικό. Τα φορτία ανακατανεμήθηκαν στην άλλη πλευρά του υλικού καθώς ηλεκτροστατικά φορτία προκαλούνται στην επιφάνεια.

Αυτή η μέθοδος κατασκευής ενός κλωβού Faraday απαιτεί μεταλλικά φύλλα χαλκού ή αλουμινίου, ταινία, ψαλίδι, χαρτόνι ή παρόμοιο δοχείο υλικού και ένα μπαλόνι για να ελέγξετε εάν λειτουργεί το κλουβί. Το υλικό που λειτουργεί καλύτερα είναι σύρμα αλουμινίου, χαλκού ή κοτόπουλου για ένα κλουβί Faraday. Τα κλουβιά Faraday απαιτούν πολλή επαφή μεταξύ των μεταλλικών εξαρτημάτων, έτσι ώστε ένας σχεδιασμός πλέγματος να μπορεί να λειτουργήσει καλά.

Διαμορφώστε το δοχείο σε ασπίδα Faraday ή κλουβί μετατρέποντάς το, για παράδειγμα, σε ένα κουτί που μπορεί να σας προστατεύσει από το περιβάλλον σας. Τυλίξτε το φύλλο αλουμινίου ή τα μεταλλικά φύλλα γύρω από το δοχείο. Βεβαιωθείτε ότι το κλουβί έχει πολλή επαφή μεταξύ των φύλλων μετάλλων.

Κόψτε μια οθόνη έτσι ώστε να μπορείτε να δείτε το εξωτερικό από το εσωτερικό του κλουβιού. Βεβαιωθείτε ότι οι οπές είναι μικρότερες από το μήκος κύματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που θέλετε να αποκλείσετε.

Ορισμένες γενικές οδηγίες είναι:

1. Μετρήστε ένα μεταλλικό πλέγμα οθόνης 10 x 10 ιντσών και κόψτε το.
2. Ομοίως, κόψτε πέντε μήκους ξύλου ή χαρτονιού 8 ιντσών.
3. Συρραφή, ταινία ή στερεώστε με κάποια άλλη μέθοδο το μεταλλικό πλέγμα στο ξύλο ή το χαρτόνι.
4. Συνδέστε τις λωρίδες γύρω από το πλέγμα περίπου 5 έως 6 ίντσες μεταξύ τους έτσι ώστε να καλύπτουν ή να περιβάλλουν ολόκληρο το πλέγμα.
5. Σχηματίστε το υλικό σε κουτί ή δοχείο για να δημιουργήσετε το κλουβί Faraday

Δοκιμάστε να χρησιμοποιήσετε το κινητό σας τηλέφωνο μέσα στο κλουβί. Λαμβάνει ή μεταδίδει τα σήματα wifi; Θα πρέπει να λάβετε ακόμα μια μικρότερη ποσότητα wifi, επειδή τα κλουβιά Faraday μπορούν να μειώσουν τη συχνότητα των κινητών τηλεφώνων, αλλά όχι να το σταματήσουν εντελώς.

Τα ραδιοκύματα που χρησιμοποιούν τα κινητά τηλέφωνα έχουν αρκετά μικρές συχνότητες για να διαρρέουν από μικρές τρύπες στο κλουβί, οπότε θα πρέπει να κολλήσετε ή να συγκολλήσετε μικρά κενά στο κλουβί Faraday για να δράσετε εναντίον τους.

Οι χημικοί χρησιμοποιούν κλουβιά Faraday για τη μείωση του θορύβου από εξωτερικές πηγές, ενώ πραγματοποιούν ακριβείς μετρήσεις. Οι ερευνητές της ψηφιακής εγκληματολογίας χρησιμοποιούν σακούλες Faraday, κλουβιά Faraday κατασκευασμένα από εύκαμπτο μεταλλικό ύφασμα, για να αποτρέψουν την απομακρυσμένη σκούπισμα και την αλλοίωση ποινικών αποδεικτικών στοιχείων.

Τα κλουβιά Faraday παρέχουν ασφάλεια στους υπολογιστές για να αποτρέψουν ενέργειες όπως κατασκοπεία. Τα αυτοκίνητα και τα αεροπλάνα λειτουργούν ουσιαστικά ως κλουβιά Faraday, εμποδίζοντας τους επιβάτες να έρχονται σε επαφή με επιβλαβή ηλεκτρικά φορτία.

Τα κλουβιά Faraday χρησιμοποιούνται επίσης για την αποτροπή παρεμβολών ραδιοφωνικών πομπών με άλλο εξοπλισμό και την προστασία ατόμων και αντικειμένων από ρεύματα αστραπής και εκφόρτισης. Οι οικιακές συσκευές τις χρησιμοποιούν επίσης. Τα μικροκύματα έχουν ασπίδες για να αποτρέπουν την έξοδο των κυμάτων από το εσωτερικό τους, ενώ τα τηλεοπτικά καλώδια μειώνουν τις εξωτερικές ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές για τη δημιουργία εικόνων.

Η διαφορετική αγωγιμότητα των μετάλλων μπορεί να επηρεάσει τον τρόπο με τον οποίο τα κλουβιά Faraday εμποδίζουν την είσοδο ηλεκτρικών πεδίων. Ο χαλκός είναι ο πιο αποτελεσματικός, χρησιμοποιείται σε εγκαταστάσεις MRI νοσοκομείου και συσκευές υπολογιστών, οι οποίες μπορούν να διαμορφωθούν σε ορείχαλκο και χάλκινα κράματα φωσφόρου για ακόμη πιο συγκεκριμένους σκοπούς.

Το αλουμίνιο είναι επίσης ένα καλό υλικό επειδή είναι ισχυρό για το βάρος του και έχει υψηλή αγωγιμότητα, αλλά μπορεί να σκουριάσει με την πάροδο του χρόνου και δεν συγκολλάται καλά. Άλλα χαρακτηριστικά στη σχεδίαση κλωβών Faraday περιλαμβάνουν τιμή, διάβρωση, πάχος, ελαστικότητα, συχνότητες που έχουν μπλοκαριστεί και πώς τα ίδια τα υλικά μπορούν να διαμορφωθούν σε κλουβί.

•••Σουντ Χουσεΐν Άθερ

Τα κλουβιά Faraday προστατεύουν τα εσωτερικά τους από ηλεκτρικά πεδία, ένα πεδίο δύναμης που περιβάλλει φορτισμένα σωματίδια όπως πρωτόνια ή ηλεκτρόνια. Ο νόμος του Coulomb μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να περιγράψει την ηλεκτρική δύναμημιόπως και

στο οποίορείναι η ακτίνα μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων,ε​₀ είναι ένας σταθερός αριθμός διαπερατότητας κενού 8,884 × 10⁻¹² Φαμ⁻¹ καιμι₁ μι​​₂είναι τα φορτία των σωματιδίων.

Όταν βρίσκεστε μέσα στο κλουβί, μπορεί να μετρηθεί οποιαδήποτε ηλεκτρική ενέργεια που έρχεται σε επαφή με την εξωτερική επιφάνεια χρησιμοποιώντας αυτόν τον τύπο. Το καθαρό πεδίο μέσα στο κλουβί παραμένει μηδέν, προστατεύοντας ό, τι είναι μέσα στο κλουβί.

Τα φορτία σε έναν αγωγό, όπως το αγώγιμο υλικό ενός κλωβού Faraday, σε ισορροπία πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο μακριά, έτσι ώστε το φορτίο να παραμένει στην επιφάνεια. Αυτό διατηρεί το ηλεκτρικό πεδίο μηδέν. Εάν φέρνατε ένα θετικά φορτισμένο αντικείμενο στο εξωτερικό του κλουβιού, τα ηλεκτρόνια στην εσωτερική επιφάνεια θα συσσωρεύονταν γύρω από αυτό για να το ακυρώσουν.

Εάν φανταζόσασταν τον εαυτό σας σε ένα σπίτι κλουβιού Faraday, θα μπορούσατε να χρησιμοποιήσετε διαφορετικά υλικά για να προστατευτείτε από ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές.

Ο χαλκός είναι το πιο αξιόπιστο στοιχείο για εφαρμογές μαγνητικής τομογραφίας (MRI) στην ιατρική για την προστασία των ανθρώπων από τις βλάβες της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Είναι επίσης εύκολο να συνδυαστεί με άλλα στοιχεία για τη δημιουργία κραμάτων όπως ορείχαλκος, χαλκός φωσφόρου και χαλκός βηρυλλίου που έχουν υψηλότερες τιμές αγωγιμότητας.

Ο χάλυβας προ-κασσίτερου είναι ένα οικονομικά αποδοτικό υλικό που εμποδίζει την είσοδο χαμηλότερων συχνοτήτων. Ο χάλυβας άνθρακα είναι μια άλλη ιδανική επιλογή που μπορεί να μπλοκάρει συχνότητες άλλων κραμάτων και στοιχείων που χάνουν. Αυτά τα υλικά έρχονται συχνά με επίστρωση κασσίτερου για να αποτρέψουν τη διάβρωση.

Το κράμα χαλκού είναι γνωστό ότι είναι ανθεκτικό στη διάβρωση. Το αλουμίνιο είναι μια άλλη ιδανική επιλογή που, ενώ πρέπει να εξετάσετε τη γαλβανική διάβρωση και οξείδωση ιδιότητες, μπορεί να εξυπηρετήσει μια ποικιλία εφαρμογών λόγω της καλής αναλογίας αντοχής προς βάρος και της υψηλής ποσότητας αγώγιμο.

•••Σουντ Χουσεΐν Άθερ

Το 1836, ο φυσικός Michael Faraday παρατήρησε ότι ένας φορτισμένος αγωγός θα αποθηκεύσει υπερβολική φόρτιση μέσα στο ίδιο το υλικό, όχι στην κοιλότητα που περικλείει ο αγωγός. Επένδυσε ένα δωμάτιο με μεταλλικό φύλλο. Με μια ηλεκτροστατική γεννήτρια έξω, παρατήρησε ότι δεν υπήρχε καμία φόρτιση σύμφωνα με το ηλεκτροσκόπιο του, μια συσκευή που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του ηλεκτρικού φορτίου. Το χρησιμοποίησε για να φτιάξει ένα κλουβί Faraday για αυτήν τη γεννήτρια.

Επτά χρόνια αργότερα, ο Faraday απέδειξε ότι το φορτίο παραμένει στην επιφάνεια ενός αγωγού για μεταλλικές επιφάνειες. Χρησιμοποιώντας έναν μεταλλικό κάδο με πάγο, έδειξε ότι το ηλεκτρικό φορτίο σε ένα κέλυφος ενός αγωγού δημιουργεί ένα φορτίο στην εσωτερική επιφάνεια του κελύφους. Η φόρτιση δεν επηρέασε τον εσωτερικό όγκο του κελύφους. Χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτροσκόπιο για τη μέτρηση των ηλεκτρικών φορτίων, το πείραμά του θα γίνει το πρώτο ποσοτικό πείραμα για το ηλεκτρικό φορτίο.