Нельзя блокировать электромагнитные волны, но все же есть способ держать электронные устройства, такие как мобильные телефоны, в режиме невидимки.
#Физика #ФарадееваяКлетка #Электричество #Магнитное_поле #Электромагнитная_волна #Технологии #Заряд #Эксперимент #Телефоны #Связь
МИР ОСТАВАЕТСЯ на электромагнитных волнах для связи: Wi-Fi, Bluetooth, 5G, даже радиоволны. Но предположим, вы хотите предотвратить связь устройства - или помешать ему взаимодействовать с остальным миром. Вы не можете заблокировать электромагнитные волны, но вы можете отменить их, окружив устройство электропроводным материалом. Мы называем это Фарадеевой клеткой, и вот как она работает.
Что такое электромагнитная волна?
Электрический заряд (например, протон) создает электрическое поле в окружающем его регионе. Это поле направлено от положительных зарядов и ослабевает по мере удаления от заряда. Вот визуализация электрического поля, показывающая положительный заряд (красная сфера) вместе с стрелками в разных местах, представляющими электрическое поле:
Но на самом деле есть еще один способ создать электрическое поле - с помощью магнитного поля. Как вы могли догадаться, магнит создает магнитное поле. Если вы двигаете этот магнит, магнитное поле изменится, и это изменение создаст электрическое поле.
Если вам кажется, что это странно, то выясняется, что изменение электрического поля также создает магнитное поле. Это означает, что мы можем иметь ситуацию, в которой изменяющееся электрическое поле создает изменяющееся магнитное поле, которое затем создает другое электрическое поле. Это одна из ключевых идей в уравнениях Максвелла, которые показывают взаимосвязь между электрическими и магнитными полями. Эти четыре уравнения, опубликованные в 19 веке физиком Джеймсом Клерком Максвеллом, показывают математическую возможность электромагнитных волн. (Он также является изобретателем знаменитого "Демона Максвелла" - мысленного эксперимента.)
Если бы вы могли увидеть электрические и магнитные поля в виде волны, они могли бы выглядеть примерно так:
Если длина волны этой электромагнитной волны очень велика (больше 10 метров), мы называем ее радиоволной. Для более коротких волн, в диапазоне от 1 миллиметра до 1 метра, это будет микроволновая волна. Ваш глаз может обнаруживать более короткие длины в диапазоне от 400 до 700 нанометров - это видимый свет. Мы группируем эти ЭМ-волны в электромагнитный спектр.
Есть еще одна важная концепция: принцип суперпозиции. Он говорит, что когда имеется более одного поля, созданного более чем одним зарядом, сумма полей является векторной суммой индивидуальных полей.
Рассмотрим следующий пример: Предположим, у вас есть два электрических заряда в одной области пространства. Как найти электрическое поле в месте, близком к этим зарядам?
Электрическое поле в любой точке представляет собой векторную сумму полей, создаваемых каждым зарядом. Вот как это выглядит с двумя зарядами (красные сферы), которые создают электрические поля (белые стрелки). Результирующее поле в этой точке представлено желтой стрелкой.
Если две зарядки создают электрические поля в одном направлении, результирующее поле будет больше. Однако, если два поля направлены в противоположных направлениях, то поле будет меньше. Оно будет равно нулю, если они полностью уничтожают друг друга.
Электрические поля в проводниках
Это именно то, что делает кожух Фарадея: он уничтожает электромагнитное поле, создавая второе поле в противоположном направлении. Благодаря принципу суперпозиции, два поля уничтожаются и создают общее поле, равное нулю. При отсутствии электрического поля, у вас больше нет электромагнитной волны. Но важно помнить, что кожух не блокирует электрические поля, а уничтожает их.
Обычно "кожух" представляет собой сферическую оболочку, окружающую объект, например, мобильный телефон, и изготовленную из некоторого вида электрически проводящего металла. Проводимость этого материала позволяет электрическим зарядам в материале кожуха перемещаться по его поверхности и создавать второе электрическое поле, уничтожающее электромагнитную волну, исходящую от телефона. Таким образом, если телефон внутри кожуха отправляет сигнал, вы не сможете его обнаружить за пределами кожуха Фарадея.
Это также работает в обратном направлении: входящие электромагнитные волны будут подавляться движущимися зарядами в Клетке Фарадея. Ваш телефон не будет знать, что получает текстовое сообщение или звонок.
Давайте на минуту сосредоточимся на том, почему материалы клетки так важны. Клетка Фарадея изготовлена из электропроводного материала, такого как медь, алюминий и сталь. В проводящем материале атомы могут поделиться одним из своих электронов с соседними атомами. Это означает, что электрон в основном свободен для перемещения от одного атома к другому. В случае с изолятором, таким как дерево, пластик или стекло, эти электроны застряли с их исходными атомами и не могут перемещаться.
Поскольку проводники позволяют зарядам перемещаться, могут происходить некоторые интересные вещи. А именно, когда электрическое поле встречает проводящий материал, оно перемещает заряды таким образом, чтобы чистое электрическое поле было равно нулю.
Вот мысленный эксперимент: представьте, что у меня есть сфера из проводящего металла, и я добавляю некоторые дополнительные электроны. (Эти дополнительные заряды могут появиться откуда угодно, но наиболее распространенным примером в реальной жизни является электростатическое взаимодействие, такое как то, что происходит, когда вы трете волосами по воздушному шарику: электроны переходят с ваших волос на шарик. Это взаимодействие также вызывает у вас удар электричеством, когда вы достаете носки из сушилки, заставляет ваши волосы вставать зимой, определяет работу N95 маски и заставляет светиться Лейденскую банку.)
Допустим, я добавляю 100 электронов к моей сфере, касаясь ее электрически заряженными носками, только что вынутыми из сушилки. Все эти электроны создают электрические поля, которые давят на остальные электроны. В результате они все отталкиваются и оказываются на поверхности сферы. (Они не могут просто соскочить с сферы.) Вот как это бы выглядело:
Но вот самая важная часть: теперь эти электроны расположены на поверхности сферы таким образом, чтобы общее электрическое поле в любой точке внутри сферы было равно нулю. (Оно должно быть равно нулю. Если поле не было бы равно нулю, то оно бы оказывало давление на свободные электроны, и любой заряд, который может двигаться, был бы двигаться к поверхности сферы.) С нулевым электрическим полем нельзя иметь электромагнитную волну. Сфера становится Фарадеевой клеткой.
Что насчет магнитного поля? Оно тоже аннулируется? Не таким же образом, как электрическое поле. Проблема в том, что не существует такого понятия как магнитный заряд. Это означает, что нельзя получить разделение магнитных зарядов для аннулирования магнитного поля внутри проводника. Но не волнуйтесь, помните, что электромагнитная волна требует как изменяющегося электрического поля, так и изменяющегося магнитного поля. Если вы аннулируете электрическое поле, у вас не будет электромагнитной волны.
Настоящие Фарадеевы клетки
Фарадеева клетка не обязательно должна быть сферой. Она может быть практически любой формы с пустотелым интерьером. (Поскольку заряды оказываются на поверхности формы, не имеет значения, является ли она пустой.) Но на практике нельзя просто покрыть свой телефон любым электрическим проводником и ожидать, что он будет действовать как Фарадеева клетка. Существуют два также важных фактора: толщина материала и его прочность. Начнем с толщины.
Один из параметров Фарадеевой клетки - это "глубина проникновения". Это способ вычислить минимальную толщину материала, чтобы он мог эффективно аннулировать ЭМ волны. Глубина проникновения зависит от удельного сопротивления материала (насколько сложно электронам перемещаться), частоты ЭМ волны и также магнитных свойств материала. Это означает, что для более длинных волн (например, радиоволн) вам потребуется более толстый материал в вашей клетке.
Предположим, вы обернули свой телефон одним слоем фольги из алюминия. Фольга из алюминия, конечно, является электрическим проводником, но она также очень тонкая. В ней немного электронов, которыми можно манипулировать, и они не могут разойтись на большое расстояние (потому что фольга тонкая). В конечном итоге они не могут полностью устранить электрическое поле внутри. Так что, возможно, одного слоя фольги из алюминия будет недостаточно.
Вам не нужно верить на слово: возьмите свой телефон и оберните его одним слоем фольги из алюминия. Теперь попробуйте позвонить на свой телефон. (Разумеется, для этого вам понадобится еще один телефон.) Если ваш телефон звонит, то ваша Фарадеева клетка недостаточно толстая. Добавляйте слои фольги из алюминия, пока ваш телефон не перестанет принимать вызовы. Тогда у вас будет достаточная толщина слоя, чтобы ваша Фарадеева клетка работала.
Фарадееву клетку также можно сделать из сетчатого материала, а не из полностью сплошного. Это сложный расчет, но в целом, если диаметр отверстий в сетке меньше длины волны электромагнитной волны, то она должна работать нормально.
Представьте, что у вас есть FM-радио, настроенное на станцию с частотой 100 МГц. Длина волны этой радиоволны составляет 3 метра. Так что, пока диаметр отверстий в сетке меньше 3 метров, она все равно будет блокировать электромагнитные волны в диапазоне радиоволн. (Это означает, что вы можете создать Фарадееву клетку с отверстиями достаточно большими, чтобы человек мог проскользнуть через них.)
Сигнал 5G с вашего телефона имеет гораздо меньшую длину волны. Они имеют частоту около 30 ГГц, что означает длину волны около 1 сантиметра. Сетчатая Фарадеева клетка все равно будет блокировать телефонные сигналы, если диаметр отверстий будет меньше 1 сантиметра в диаметре.
Конечно, если вы хотите действительно избавиться от связи и предотвратить людям находить ваш телефон, есть более простое решение: просто выключите его.
Подписывайся: https://t.me/trivsin