Электричество — это во многом жизненная сила нашего мира. Без вольт и ампер многие технологические инновации прекратили бы свое существование. Даже наши тела не могли бы функционировать без электрического заряда, проходящего через клетки. Однако электричество может и отнять то, что оно нам подарило.
Хотя эта форма энергии жизненно важна для поддержания нашей жизни, это одна из тех вещей, которые хороши только в меру. Слишком большой электрический заряд может навредить человеку или даже убить. Точно так же он может убить всю современную электронику и машины.
Но благодаря Майклу Фарадею, гениальному ученому XIX в., и одному из его одноименных изобретений — клетке Фарадея — люди разработали множество способов контролировать электричество и сделать его более безопасным как для всех наших изобретений, так и для нас самих.
Клетки Фарадея защищают свое содержимое от электромагнитного излучения. По сути, когда электромагнитное поле попадает на что-то, способное проводить электричество, заряды остаются на внешней стороне проводника, а не перемещаются внутрь. Клетки Фарадея могут выглядеть по-разному: некоторые из них просты, как ограждение из цепей или ведро для льда, в других используется мелкая металлическая сетка для создания более сложных конструкций.
Электромагнитное излучение окружает нас повсюду. Оно присутствует в видимом и ультрафиолетовом свете, в микроволнах, которые готовят пищу, и даже в радиоволнах FM и AM, которые передают музыку через радиоприемники. Но иногда это излучение бывает нежелательным из-за своего разрушительного потенциала. Вот тут-то и приходят на помощь клетки Фарадея.
Поскольку клетка Фарадея распределяет заряд или излучение по своей внешней стороне, она гасит его внутри себя. Короче говоря, это полый проводник, в котором заряд остается на внешней поверхности клетки.
Эта основная функция имеет множество интересных применений в нашем электрически зависимом и переполненном технологиями мире. И хотя Фарадей в конце концов забрал всю славу себе, предпосылки для его полезного изобретения уходят корнями далеко в прошлое. Так откуда же взялась сама идея?
Хотя клетка Фарадея названа в честь Майкла Фарадея, изобретатель и политик Бенджамин Франклин помог вдохновить многие идеи, лежащие в основе этого изобретения. Франклин, конечно, провел часть своей выдающейся карьеры, запуская воздушных змеев в грозу в попытках привлечь молнию, и поэтому уже был немного знаком с поведением электричества.
В 1755 г. Франклин начал по-новому экспериментировать с электричеством. Он наэлектризовал серебряную банку и опускал на ее дно незаряженный пробковый шар, прикрепленный к непроводящей электричество шелковой нити. «Пробка не притягивалась к внутренней стороне банки, как это было бы с внешней стороны, и хотя она касалась дна, когда ее вытащили, оказалось, что она не наэлектризовалась от этого прикосновения, как это произошло бы, если бы она касалась внешней стороны. Факт необычный», — написал Франклин в письме своему коллеге.
Он был озадачен взаимодействием электричества с заряженными и незаряженными предметами и признался в этом: «Вам нужен ответ; я его не знаю. Возможно, вы сможете его обнаружить, и тогда будьте добры, поделитесь своими мыслями».
Десятилетия спустя Майкл Фарадей сделал другие важные наблюдения, а именно: он понял, что электрический проводник (например, металлическая клетка), будучи заряженным, проявляет этот заряд только на своей поверхности. Он не оказывает никакого влияния на внутреннюю часть проводника.
Фарадей подтвердил это наблюдение, выстлав комнату металлической фольгой, а затем зарядив фольгу с помощью электростатического генератора. Он поместил электроскоп (прибор для обнаружения электрических зарядов) внутрь комнаты, и, как он и ожидал, прибор показал, что внутри комнаты нет заряда. Заряд просто двигался по поверхности фольги и не проникал в комнату.
В дальнейшем Фарадей исследовал это явление в своем знаменитом эксперименте с ведерком для льда. В этом эксперименте он практически повторил идею Франклина, опустив заряженный латунный шарик в металлическое ведерко. Как и ожидалось, его результаты были такими же, как и у Франклина.
Эта концепция имеет множество удивительных применений — вот один пример для всех, кто когда-либо летал на самолете. Представьте себе самолет, в который во время полета внезапно ударила молния. Это происходит не так уж и редко, но обычно и самолет, и пассажиры остаются невредимыми. Это потому, что алюминиевый корпус самолета выступает в качестве клетки Фарадея. Заряд молнии проходит по поверхности самолета, не повреждая оборудование и людей внутри.
На самом деле нет ничего шокирующего — это лишь наука. Но как все-таки устроен этот процесс?
Чтобы понять, как работают клетки Фарадея, необходимо иметь базовое представление о том, как электричество действует в проводниках. Процесс прост: металлические предметы, такие как алюминиевая сетка, являются проводниками, в них перемещаются электроны (отрицательно заряженные частицы). Когда электрический заряд отсутствует, проводник имеет примерно одинаковое количество положительных и отрицательных частиц.
Если к проводнику приближается внешний объект с электрическим зарядом, положительные и отрицательные частицы разделяются. Электроны с зарядом, противоположным внешнему заряду, притягиваются к этому внешнему объекту. Электроны с тем же зарядом, что и у внешнего объекта, отталкиваются и удаляются от него. Такое перераспределение зарядов называется электростатической индукцией.
При наличии внешнего заряженного объекта положительные и отрицательные частицы оказываются на противоположных сторонах проводника. В результате возникает противоположное электрическое поле, которое нивелирует поле заряда внешнего объекта внутри металлического проводника. Таким образом, чистый электрический заряд внутри алюминиевой сетки равен нулю.
И сейчас самое интересное: хотя внутри проводника нет заряда, противоположное электрическое поле оказывает важное воздействие — оно защищает внутреннюю поверхность от внешних статических электрических зарядов, а также от электромагнитного излучения, например, радиоволн и микроволн. В этом и заключается истинная ценность клеток Фарадея.
Эффективность такого экранирования зависит от конструкции клетки. Изменения в проводимости различных металлов, таких как медь или алюминий, влияют на работу клетки. Размер отверстий в клетке также изменяет ее возможности и может быть отрегулирован в зависимости от частоты и длины волны электромагнитного излучения, которое вы хотите исключить из внутреннего пространства клетки.
Современное применение клеток Фарадея
Люди используют их для самых разных целей — иногда в экспериментальных лабораториях, а иногда при производстве обычных продуктов. Например, ваш автомобиль работает как клетка Фарадея. Именно этот эффект, а не резиновые шины, защитит вас в случае близкого удара молнии.
Многие здания тоже работают как клетки Фарадея, хотя это лишь побочный эффект. Их оштукатуренные или бетонные стены, усеянные металлической арматурой или проволочной сеткой, часто создают проблемы для беспроводных сетей интернета и сигналов сотовых телефонов.
Но эффект экранирования чаще всего идет на пользу человечеству. В микроволновых печах эффект обратный, волны задерживаются в клетке и быстро готовят пищу. Экранированные телевизионные кабели помогают сохранить четкое и ясное изображение, снижая уровень помех.
Электрики часто носят специально изготовленные костюмы, в которых используется принцип клетки Фарадея. В таких костюмах обходчики могут работать на высоковольтных линиях электропередачи с гораздо меньшим риском поражения электрическим током.
Правительства могут защитить жизненно важное телекоммуникационное оборудование от ударов молнии и других электромагнитных помех, построив вокруг него клетки Фарадея. Научные лаборатории университетов и корпораций используют передовые клетки Фарадея для полного исключения всех внешних электрических зарядов и электромагнитного излучения, чтобы создать абсолютно нейтральную испытательную среду для проведения всевозможных экспериментов