วิธีสร้างกรงฟาราเดย์

ไฟฟ้าอาจเป็นอันตรายได้ แต่การใช้มาตรการป้องกันความปลอดภัยที่เหมาะสมจะช่วยให้คุณศึกษาว่าประจุไหลอย่างไร สนามไฟฟ้าเกิดขึ้นได้อย่างไร และปรากฏการณ์อื่นๆ ในการทำงานของไฟฟ้าเป็นอย่างไร

ตั้งแต่กำเนิดไฟฟ้าในวิชาฟิสิกส์ นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้อุปกรณ์เพื่อป้องกันตัวเองจากอันตรายเมื่อทำการทดลอง ความรู้นี้จะสร้างกรงฟาราเดย์เพื่อป้องกันไม่ให้ผู้คนได้รับบาดเจ็บจากไฟฟ้า

•••Syed Hussain Ather A

​กรงฟาราเดย์หรือโล่ฟาราเดย์บล็อกสนามแม่เหล็กไฟฟ้าโดยใช้วัสดุนำไฟฟ้าบนพื้นผิวเพื่อเปลี่ยนทิศทางคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า สนามไฟฟ้าภายนอกทำให้ประจุไฟฟ้าในวัสดุของกรงเปลี่ยนแปลงไปในลักษณะที่เป็น กระจายไปตามการเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิตเพื่อป้องกันไม่ให้สนามเข้าสู่ด้านในของ กรง.

แม้ว่าจะไม่สามารถปิดกั้นสนามแม่เหล็กที่แปรผันช้าเหมือนของโลกได้ แต่กรงฟาราเดย์ก็ถูกนำมาใช้ สร้างห้องที่ล้อมรอบด้วยตาข่ายโลหะหรือแผ่นเจาะรูเพื่อป้องกันกระแสแม่เหล็กไฟฟ้าจาก เข้า.

• กรงฟาราเดย์ป้องกันสนามแม่เหล็กไฟฟ้าไม่ให้เข้าหรือหลุดออกมา และสามารถสร้างได้จากสารอะลูมิเนียมหรือโลหะ พวกเขาสามารถทำด้วยวัสดุที่เรียบง่ายรวมทั้งลวดโลหะและกระดาษแข็งหรือไม้

เมื่อสนามไฟฟ้าภายนอกสัมผัสกับกรง กรงจะสร้างสนามไฟฟ้าแบบเดียวกันราวกับว่าประจุถูกวางไว้ข้างใน พื้นผิวถูกทำให้เป็นกลางด้วยประจุส่วนเกินที่ไหลลงสู่พื้นหากกรงต่อสายดิน ซึ่งจะช่วยป้องกันแรงดันไฟจากอีกด้านของกรงเพื่อไม่ให้สนามผ่านวัสดุ ประจุจะกระจายตัวไปอีกด้านหนึ่งของวัสดุเนื่องจากประจุไฟฟ้าสถิตเกิดขึ้นบนพื้นผิว

วิธีการสร้างกรงฟาราเดย์นี้ต้องใช้แผ่นโลหะทองแดงหรืออลูมิเนียม เทป กรรไกร กระดาษแข็งหรือภาชนะวัสดุที่คล้ายกัน และบอลลูนเพื่อทดสอบว่ากรงทำงานได้หรือไม่ วัสดุที่ใช้งานได้ดีที่สุดคืออลูมิเนียม ทองแดง หรือลวดไก่สำหรับกรงฟาราเดย์ กรงฟาราเดย์ต้องการการสัมผัสกันมากระหว่างส่วนประกอบโลหะ ดังนั้นการออกแบบตาข่ายจึงทำงานได้ดี

สร้างภาชนะให้เป็นเกราะป้องกันหรือกรงฟาราเดย์โดยเปลี่ยนเป็นกล่องที่สามารถปกป้องคุณจากสภาพแวดล้อมได้ ห่อฟอยล์หรือแผ่นโลหะรอบภาชนะ ตรวจสอบให้แน่ใจว่ากรงมีการสัมผัสกันมากระหว่างแผ่นโลหะ

ตัดฉากกั้นให้เห็นภายนอกจากภายในกรง ตรวจสอบให้แน่ใจว่ารูมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่คุณต้องการปิดกั้นไม่ให้เข้าไป

คำแนะนำทั่วไปบางประการคือ:

1. วัดตาข่ายโลหะสี่เหลี่ยมขนาด 10 x 10 นิ้วแล้วตัดออก
2. ในทำนองเดียวกัน ตัดไม้หรือกระดาษแข็งยาว 8 นิ้วห้าชิ้น
3. เย็บเล่ม ติดเทป หรือติดตาข่ายโลหะกับไม้หรือกระดาษแข็งด้วยวิธีอื่น
4. รวมแถบรอบตาข่ายห่างจากกันประมาณ 5 ถึง 6 นิ้วเพื่อให้ครอบคลุมหรือล้อมรอบตาข่ายทั้งหมด
5. ปั้นวัสดุลงในกล่องหรือภาชนะเพื่อสร้างกรงฟาราเดย์

ลองใช้โทรศัพท์มือถือของคุณภายในกรง มันรับหรือส่งสัญญาณ wifi หรือไม่? คุณยังควรได้รับปริมาณ wifi ที่อ่อนลงเพราะกรงฟาราเดย์สามารถลดความถี่ของโทรศัพท์มือถือได้ แต่ไม่สามารถหยุดได้อย่างสมบูรณ์

คลื่นวิทยุที่โทรศัพท์มือถือใช้มีความถี่ขนาดเล็กพอที่จะรั่วไหลผ่านรูเล็กๆ ในกรงได้ ดังนั้นคุณจะต้องบัดกรีหรือเชื่อมช่องว่างเล็กๆ ในกรงฟาราเดย์เพื่อต่อต้านคลื่นเหล่านี้

นักเคมีใช้กรงฟาราเดย์เพื่อลดเสียงรบกวนจากแหล่งภายนอกในขณะที่ทำการวัดที่แม่นยำ นักวิจัยด้านนิติเวชดิจิทัลใช้ถุงฟาราเดย์ กรงฟาราเดย์ที่ทำจากผ้าโลหะที่มีความยืดหยุ่น เพื่อป้องกันการเช็ดจากระยะไกลและการเปลี่ยนแปลงหลักฐานทางอาญา

กรงฟาราเดย์มอบความปลอดภัยให้กับคอมพิวเตอร์เพื่อป้องกันการกระทำเช่นการสอดแนม รถยนต์และเครื่องบินทำหน้าที่เป็นกรงของฟาราเดย์โดยป้องกันไม่ให้ผู้โดยสารสัมผัสกับประจุไฟฟ้าที่เป็นอันตราย

กรงฟาราเดย์ยังใช้ในการป้องกันไม่ให้เครื่องส่งสัญญาณวิทยุรบกวนอุปกรณ์อื่น ๆ และปกป้องบุคคลและวัตถุจากกระแสฟ้าผ่าและการปล่อยฟ้าผ่า เครื่องใช้ในครัวเรือนก็ใช้เช่นกัน ไมโครเวฟมีแผงป้องกันเพื่อป้องกันไม่ให้คลื่นออกจากภายใน ในขณะที่สายเคเบิลทีวีลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าจากภายนอกเพื่อสร้างภาพ

การนำโลหะที่แตกต่างกันอาจส่งผลต่อวิธีที่กรงฟาราเดย์ป้องกันไม่ให้สนามไฟฟ้าเข้ามา ทองแดงมีประสิทธิภาพสูงสุด ใช้ในเครื่องตรวจ MRI ของโรงพยาบาลและเครื่องใช้คอมพิวเตอร์ ซึ่งสามารถขึ้นรูปเป็นโลหะผสมทองเหลืองและฟอสฟอรัสบรอนซ์เพื่อวัตถุประสงค์เฉพาะมากยิ่งขึ้น

อะลูมิเนียมก็เป็นวัสดุที่ดีเช่นกัน เพราะมันแข็งแรงสำหรับน้ำหนักและมีค่าการนำไฟฟ้าสูง แต่ก็สามารถขึ้นสนิมได้เมื่อเวลาผ่านไปและไม่ได้บัดกรีอย่างดี คุณสมบัติอื่นๆ ในการออกแบบกรงฟาราเดย์ ได้แก่ ราคา การกัดกร่อน ความหนา ความอ่อนตัว ความถี่ที่ถูกปิดกั้น และวิธีที่วัสดุสามารถขึ้นรูปเป็นกรงได้

•••Syed Hussain Ather A

กรงฟาราเดย์ปกป้องภายในจากสนามไฟฟ้า สนามแรงที่ล้อมรอบอนุภาคที่มีประจุ เช่น โปรตอนหรืออิเล็กตรอน กฎของคูลอมบ์สามารถใช้อธิบายแรงไฟฟ้าได้อีเช่น

ซึ่งในrคือรัศมีระหว่างอนุภาคที่มีประจุε​₀ เป็นจำนวนคงตัวของการยอมให้สุญญากาศของ 8.854 × 10⁻¹² ฟัม⁻¹ และอี₁ อี​​₂คือประจุของอนุภาค

เมื่ออยู่ในกรง สามารถวัดกระแสไฟฟ้าที่สัมผัสกับพื้นผิวด้านนอกได้โดยใช้สูตรนี้ สนามตาข่ายภายในกรงยังคงเป็นศูนย์ ปกป้องสิ่งที่อยู่ภายในกรง

ประจุในตัวนำ เช่น วัสดุนำไฟฟ้าของกรงฟาราเดย์ ที่สภาวะสมดุลควรห่างกันให้ไกลที่สุดเท่าที่จะทำได้ เพื่อให้ประจุยังคงอยู่บนพื้นผิว สิ่งนี้ทำให้สนามไฟฟ้าอยู่ในศูนย์ หากคุณนำวัตถุที่มีประจุบวกออกมาด้านนอกของกรง อิเล็กตรอนบนพื้นผิวด้านในจะสะสมอยู่รอบๆ กรงเพื่อตัดมันออก

หากคุณจินตนาการว่าตัวเองอยู่ในบ้านกรงฟาราเดย์ คุณสามารถใช้วัสดุต่างๆ เพื่อป้องกันตัวเองจากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า

ทองแดงเป็นองค์ประกอบที่น่าเชื่อถือที่สุดสำหรับการประยุกต์ใช้การถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก (MRI) ในการแพทย์ เพื่อป้องกันผู้คนจากอันตรายของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า นอกจากนี้ยังง่ายต่อการรวมกับองค์ประกอบอื่นๆ เพื่อสร้างโลหะผสม เช่น ทองเหลือง ทองแดงฟอสฟอรัส และทองแดงเบริลเลียมที่มีค่าการนำไฟฟ้าสูงกว่า

เหล็กชุบดีบุกเป็นวัสดุที่คุ้มราคาซึ่งป้องกันความถี่ต่ำไม่ให้เข้า เหล็กกล้าคาร์บอนเป็นอีกทางเลือกหนึ่งในอุดมคติที่สามารถป้องกันความถี่ที่โลหะผสมและองค์ประกอบอื่นๆ พลาดไป วัสดุเหล่านี้มักมาพร้อมกับการชุบดีบุกเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดสนิม

โลหะผสมทองแดงเป็นที่รู้จักสำหรับความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อน อะลูมิเนียมเป็นอีกทางเลือกหนึ่งที่เหมาะสมที่สุด ในขณะที่คุณจำเป็นต้องตรวจสอบการกัดกร่อนของโลหะด้วยไฟฟ้าและการเกิดออกซิเดชัน คุณสมบัติ สามารถใช้งานได้หลากหลายเนื่องจากมีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่ดีและปริมาณ การนำไฟฟ้า

•••Syed Hussain Ather A

ในปี 1836 นักฟิสิกส์ Michael Faraday สังเกตว่าตัวนำที่มีประจุจะเก็บประจุส่วนเกินไว้ภายในตัววัสดุเอง ไม่ใช่ในช่องที่ตัวนำปิดไว้ เขาเคลือบห้องด้วยฟอยล์โลหะ ด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตภายนอก เขาสังเกตเห็นว่าไม่มีประจุอยู่ข้างในตามอิเล็กโทรสโคป ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการวัดประจุไฟฟ้า เขาใช้สิ่งนั้นเพื่อสร้างกรงฟาราเดย์สำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้านี้

เจ็ดปีต่อมาฟาราเดย์ได้แสดงให้เห็นประจุที่หลงเหลืออยู่บนพื้นผิวตัวนำสำหรับพื้นผิวโลหะ เขาใช้ถังโลหะที่มีน้ำแข็งแสดงประจุไฟฟ้าในเปลือกของตัวนำทำให้เกิดประจุที่พื้นผิวด้านในของเปลือก ค่าใช้จ่ายไม่ส่งผลกระทบต่อปริมาตรภายในของเปลือก การใช้อิเล็กโทรสโคปเพื่อวัดประจุไฟฟ้า การทดลองของเขาจะกลายเป็นการทดลองเชิงปริมาณครั้งแรกเกี่ยวกับประจุไฟฟ้า