Клеткой фарадея: Клетка Фарадея. Работа и применение. История и особенности

Клетка Фарадея. Работа и применение. История и особенности

Клетка Фарадея или «щит Фарадея» — это замкнутое пространство для предотвращения прохождения электромагнитных полей. Клетка изготавливается из токопроводящего сплошного материала или токопроводящей сетки, обычно ее еще и заземляют. Названа она так по имени английского ученого Майкла Фарадея, изобретшего ее в 1836 году.

В 1836 году Фарадей заметил, что избыточный заряд на заряженном проводнике локализуется лишь на его внешней стороне и не оказывает никакого влияния на предметы внутри. Для демонстрации этого факта он оборудовал комнату, покрытую металлической пленкой, и подавал на внешнюю сторону комнаты высоковольтный заряд от электростатического генератора.

Для доказательства отсутствия электрических зарядов на внутренних сторонах стен комнаты Фарадей использовал электроскоп. Электроскоп внутри комнаты, либо при подсоединении его к внутренней поверхности, фиксировал отсутствие заряда, в то время как у электроскопа, подсоединенного к наружной поверхности, листочки расходились.

Для демонстрации эффекта выталкивания поля в клетку помещались небольшие животные. При подведении к ней мощного электрического заряда от электростатического генератора, заряд не причинял животным никакого вреда, поскольку стекал по ее поверхности.

Хотя проявление этого эффекта было приписано знаменитому эксперименту с цилиндром Фарадея (или «ведерком со льдом»), проведенном Майклом Фарадеем в 1843 году, наблюдал феномен еще в 1755 году американский ученый Бенджамин Франклин. Опыт заключался в том, что Франклин опускал подвешенный на шелковой нити незаряженный пробковый шарик через отверстие в заряженную металлическую банку. По его словам, «пробка не притягивалась к внутренним стенкам банки, как она притягивалась к наружным. Хотя пробка была опущена до дна банки, по вытаскиванию из нее она оказалась незаряженной вследствие касания, что наблюдалось, когда пробка касалась наружной стороны банки». Этот эффект также был открыт задолго до Фарадея итальянским физиком Джованни Батиста Беккариа.

Принцип действия

Принцип действия клетки заключается в том, что внешнее электрическое поле приводит к перераспределению свободных электронов в токопроводящем материале клетки таким образом, что противоположные стороны клетки заряжаются. Их поле компенсирует внешнее поле, и внутри поле отсутствует. Этот принцип лучше всего понимается, если клетку представить идеальным полым проводником. Перераспределение зарядов вызывает в проводнике электрический ток, который прекращается, когда внешнее электрическое поле компенсируется.

Экранирующее действие замкнутых металлических оболочек было теоретически предсказано в 1813 году французским математиком и физиком Симеоном Дени Пуассоном. Позднее, в 1828 году, английским математиком и физиком Джорджем Грином. Предсказание ученых основывалось на том, что внутри замкнутой металлической оболочки электрический потенциал постоянен, следовательно, напряженность электрического поля равна нулю, что и является доказательством ее экранирующих свойств.

Клетка Фарадея не в состоянии оградить внутреннее пространство от постоянного либо медленно меняющегося магнитного поля, например, поля земного магнетизма (компас внутри клетки продолжает правильно показывать на Север). Но, поскольку переменное магнитное поле создается переменным электрическим полем, а переменное электрическое поле в клетку не проникает, то не проникает в нее и переменное магнитное поле. Следовательно, клетка защищает находящиеся в ней объекты (и человека) от действия электромагнитных волн. Для экранирования высокочастотного излучения размер ячейки клетки должен быть меньше длины волны излучения.

Эффективность экранирования статического электрического поля зависит от формы токопроводящего материала. В случае изменяющегося электрического поля, и при наличии сопутствующего изменяющегося магнитного поля, чем быстрее эти изменения (т.е. чем выше частота), тем лучше материал сопротивляется проникновению поля. С другой стороны, с повышением частоты поле лучше проникает через сетку с заданным размером ячеек. В этом случае экранирование зависит от электрической проводимости материала клетки, а также его толщины.

Если заряд помещается внутри незаземленной клетки, ее внутренняя поверхность заряжается (аналогично описанному выше процессу с внешним зарядом). Клетка Фарадея блокирует исходящие из нее электромагнитные волны в меньшей степени, чем входящие, и, таким образом, прибор слежения, или «маячок», особенно работающий на высокой частоте, может «пробить» поверхность клетки, работая изнутри.

Лифты и прочие помещения с металлическими проводящими каркасами и стенками могут приводить к пропаже сигнала и появлению «мертвых зон» для пользователей сотовых телефонов, раций, и прочих электронных устройств, принимающих внешние радиосигналы.

Для экранирования излучения работающего внутри микроволновой печи магнетрона с длиной волны порядка 12 см корпус печи выполнен из сплошного металла (нержавеющей стали). Прозрачное окно дверки представляет собой пакет из стеклянных или пластмассовых пластин с обязательным металлическим перфорированным листом между ними. Диаметр отверстий в листе не выше 1-3 мм, что полностью исключает выход излучения из микроволновой печи. Отсутствие просачивания излучения через щель между дверкой и камерой обеспечивается особой конструкцией щели с размерами, подобранными под длину волны излучения.

Ошибкой будет считать, что клетка Фарадея обеспечивает полное блокирование радиосигнала или его подавление. Степень ослабления клеткой излучаемого или принимаемого, радио- или телевизионного сигнала зависит от формы электромагнитной волны, ее частоты и расстояния до приемника/передатчика. Также их чувствительности и излучаемой мощности. Клетка с ограждением из прочного стального листа обеспечивает лучшее подавление, чем выполненная из сетки.

Применение

Ниже приведен ряд примеров использования клетки и схожих устройств для защиты людей и оборудования.

Из этих примеров видно, что предсказанное свыше 200 лет назад явление, широко популяризированное Майклом Фарадеем. Повсеместно используется в науке, технике, и даже взято на вооружение криминальным миром, при этом успело обрасти множеством мифов. Один из мифов, отраженный в фильме об информаторе Сноудене, заключается в том, что микроволновая печь полностью блокирует излучение мобильного телефона. Это не так, частота передачи данных стандарта мобильной связи GSM отличается от частоты магнетрона микроволновки, и щель между корпусом и дверкой становится прозрачной для сигнала сотовой связи. Т.е. микроволновая печь не является клеткой Фарадея в полном смысле этого понятия – в настоящей клетке никаких щелей быть не должно. По этой же причине не блокирует помещенный внутрь мобильный телефон камера холодильника.

Похожие темы:

• Электромагнитные волны. Опыты Герца. Излучения
• Абсолютно черное тело (АЧТ). Виды и значение. Применение
• Наведенное напряжение. Причины возникновения и опасность
• Экранирующие материалы. Виды и применение. Правила экранирования помещений
• Защита от статического электричества. Возникновение и действие
• Кевлар. Свойства и применения. Формы выпуска и особенности
• Диамагнетики. Виды и свойства. Применение и особенности
• Законы Фарадея. Для эл/м индукции и в электролизе

Клетка Фарадея: описание, принцип работы, применение

Клетка Фарадея — одно из тех изобретений, которые мы часто не замечаем в повседневной жизни. Это защитный проводник (так называемый экран) в шнуре ваших наушников, чтобы вы могли слышать любимую музыку, а не помехи от электросети. Именно алюминиевый корпус самолета обеспечивает безопасность в случае грозы во время полета. Это внутренняя часть микроволновой печи, так что вы можете спокойно разогревать вчерашнюю пиццу.

Клетки Фарадея, решетки Фарадея, щиты Фарадея, банки Фарадея или электромагнитные кабины — названий много, и они также выполняют чрезвычайно важную задачу в области обеспечения безопасности важных данных и информации. Они защищают от воздействия внешних электромагнитных полей.

Такая клетка изготавливается из токопроводящего материала. Поэтому она не пропускает электромагнитные волны ни снаружи, ни изнутри. Электромагнитные волны и электрические токи определённым образом задерживаются и циркулируют вокруг экранирования, которым является сама клетка.

И все благодаря явлению, открытому в 1836 году английским физиком и химиком Майклом Фарадеем.

Описание и принцип действия клетки Фарадея

В 1836 году английский физик Майкл Фарадей выстроил в комнате металлический экран. Внутри комнаты он разместил электроскопы, задачей которых было зафиксировать существование электрического поля внутри такой комнаты. Разряды статического электричества вне помещения, по предположению экспериментатора, не вызывали появления электрического поля внутри помещения.

Клетка Фарадея — это камера, которая действует как экран против электростатического поля (рис. 1). Его название происходит от имени английского ученого Майкла Фарадея. Клетки Фарадея используются для защиты электронных устройств от помех или в целях безопасности.

Рис. 1. Художественное видение опыта Фарадея

Принцип действия клетки Фарадея обусловлен свойствами проводников в электрическом поле. Если поместить проводник в электрическое поле, то поле рассеет свободные заряды в проводнике. Заряды, индуцированные на поверхности проводника, создадут собственное электрическое поле, которое аннулирует внешнее поле.

Рассмотрим следующий эксперимент. Мы помещаем алюминиевую банку (например, банку из-под напитков) рядом с источником электрического поля, например, электрически заряженной эбонитовой палочкой (рис. 2a). Банка электрически нейтральна, т.е. содержит одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов.

Рис. 2. Банка Фарадея и явление электростатической индукции

Однако, когда банка находится в электрическом поле, возникает явление электростатической индукции. Свободные электроны, имеющие отрицательный заряд, движутся противоположно направлению поля, так что одна сторона банки становится отрицательно заряженной, а другая — положительно заряженной (рис. 2b). Такое распределение зарядов приводит к возникновению внутри банки электрического поля, противоположного внешнему полю, вызвавшему разделение зарядов. Результирующее обоих полей равно нулю, что означает, что область внутри банки изолирована от внешнего электрического поля.

Рис. 3. Радиочастотный модулятор, заключенный в металлическую оболочку

Сепараторы Фарадея могут иметь форму проводящего экрана, металлической оболочки (например, пластиковый корпус, окрашенный проводящей краской, рис. 3.) или сетки, образующей закрытую камеру (рис. 4.). Однако, независимо от формы, принцип действия остается неизменным: явление электростатической индукции вызывает нулевое электрическое поле внутри клетки.

Рис. 4. Кабель с металлической оплеткой и фольгой для компьютерного монитора

Применение

Трудно найти применение клетке Фарадея в предметах и вещах, которые мы используем в повседневной жизни. Однако много информации указывает на то, что корпус микроволновой печи напоминает клетку Фарадея в процессе ее работы. Как и в случае с клеткой, внутри микроволновой печи отражаются волны определенной длины, это вызывает значительное повышение температуры, но не выходит за пределы корпуса.

Другим интересным примером одного из типов клетки Фарадея является самолет. Когда молния ударяет в самолет, через корпус проходит электрический ток, который индуцирует магнитное поле и электрическое поле внутри корпуса. Путешественники и пассажиры, находящиеся в это время в самолете, не подвергаются непосредственной опасности от удара молнии.

Как видите, так называемая клетка Фарадея имеет множество применений. Почти двести лет назад она была всего лишь диковинкой, одной из многих, связанных с новой областью знаний — электричеством. Практическое применение она нашла только в научных исследованиях, в очень точных измерениях электрических зарядов и электростатических полей.

Стоит отметить, что в течение десятилетий такие клетки «защищали» людей и предметы от некоторых последствий ударов молнии — часто случайно. В двадцатом веке, когда автомобили и самолеты стали обычным явлением, им чаще всего приписывали способность обеспечивать такую «защиту», благодаря их металлической конструкции. Однако следует помнить, что клетка Фарадея «защищает» свою внутреннюю часть от возникновения внутри нее электростатического поля. Между тем, разряд молнии сопровождается протеканием очень сильного электрического тока; при этом возникают электромагнитные волны. В этом случае клетка Фарадея лишь частично выполняет свою «защитную» роль — это зависит от деталей ее конструкции и частоты электромагнитной волны, падающей на клетку.

Сегодня мы сталкиваемся с огромным количеством источников электромагнитных волн в нашей окружающей среде; мы говорим о «шуме» и даже об «электромагнитном смоге». Мы часто озабочены тем, чтобы экранировать эти волны или изолировать себя от них. Клетки Фарадея, обычно в виде закрытых экранов из плотной сетки, используются для защиты чувствительной аппаратуры (например, диагностической медицинской, научной) от внешних источников электрических или электромагнитных полей.

Для справки: электромагнитный смог — это разговорный термин для обозначения электромагнитного излучения различных частот, относящегося к спектру неионизирующего излучения, чаще всего относящегося к диапазону радиочастот (300 кГц — 300 ГГц). Термин «электромагнитный смог» некоторые считают синонимом электромагнитного излучения, исходящего из искусственных, т.е. созданных человеком, источников, в отличие от электромагнитного излучения, исходящего из естественных источников.

Вероятно, у вас также есть клетка Фарадея на кухне — микроволновая печь. Его можно узнать даже по решетке в прозрачной панели. Клетка используется там для экранирования микроволновых лучей, которые должны разогреть вашу пищу.

Сепараторы Фарадея очень часто используются в электротехнике. Особенно в области ЭМС (электромагнитной совместимости), где целью является защита сигналов от внешних воздействий или сигналов помех. Например, металлические корпуса используются вокруг печатных плат, или металлические оплетки вокруг различных кабелей.

Существует также множество обратных применений: устройства, излучающие электромагнитные волны в качестве побочного эффекта своей работы, заключаются в клетки Фарадея, когда мы не хотим, чтобы излучаемые ими волны достигли других устройств. Мы можем захотеть избежать помех (например, при работе телевизора от электродвигателя пылесоса) или заблокировать «электромагнитное прослушивание», т.е. доступ третьих лиц внешних устройств к информации, излучаемой — в качестве побочного эффекта — во время нормальной работы нашего устройства (например, работающего компьютера). В таких случаях мы запираем «передающее» устройство в клетке Фарадея.

Что такое клетка Фарадея?

Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.

Клетка Фарадея в действии, благодаря которой люди защищены от электрической дуги. (Изображение предоставлено Антуаном Тавено/CC BY 3.0)

Клетка Фарадея представляет собой защитный кожух, который предотвращает проникновение и выход определенных типов электромагнитного излучения , согласно Лаборатории магнитного поля Университета штата Флорида 9.0006 (откроется в новой вкладке). Клетка, впервые изобретенная в 19 веке, имеет ряд практических применений, а также несколько забавных применений.

Мы довольно регулярно используем клетки Фарадея в таких местах, как больницы и даже на вашей кухне. Некоторые клетки Фарадея лучше других, но все они работают по одним и тем же принципам.

Вот что такое клетка Фарадея, как она работает и как мы используем ее в повседневной жизни.

Похожие: Кто изобрел лампочку?

Как работает клетка Фарадея?

Клетка Фарадея — это, по сути, контейнер или щит, который блокирует электромагнитное излучение со всего электромагнитного спектра, например, радиоволн и микроволн , по данным Университета штата Флорида.

Он работает по тому принципу, что когда электромагнитное поле сталкивается с чем-то, что может проводить электричество, заряды остаются снаружи проводника, а не перемещаются внутри.

В более практическом смысле это означает, что клетка, изготовленная из материала, который может проводить электричество, будет препятствовать прохождению определенного электромагнитного излучения. Это относится как к постоянным, или статическим , электрическим полям, так и к изменяющимся, или нестатическим, электрическим полям.

Кто изобрел клетку Фарадея?

Майкл Фарадей изобрел клетку Фарадея в 1836 году. (Изображение предоставлено Getty Images) 19го века, опираясь на работу американского ученого Бенджамина Франклина в предыдущем столетии.

В 1755 году Франклин понял, что когда он опускал пробковый шарик на шелковой нити в металлическую банку, через которую проходил электрический заряд, пробковый шарик не электризовался при опускании на дно банки, согласно Национальный архив (открывается в новой вкладке).

Позднее, в январе 1836 года, Фарадей перешел в театр Королевского института в Лондоне, где он работал в подвале, как сообщает The Guardian . Внутри театра он построил 12-футовый куб с деревянным каркасом на четырех стеклянных опорах. Бумажные стенки куба он обклеил металлической фольгой. А затем, по-видимому, он вошел внутрь, использовал электростатический генератор, чтобы взорвать комнату электричеством, и почти прожил там два дня. Внутри коробки Фарадей обнаружил то, о чем он подозревал все это время: электричество — это сила, а не материальная жидкость, которая течет по проводам, как вода по трубе, как считалось в то время, сообщил Королевский институт . .

Внутри «клетки» электроскоп Фарадея не обнаружил электричества; По данным Университета штата Флорида, только металлическая фольга, окружающая комнату, проводила электричество, что демонстрирует концепцию клетки Фарадея.

Из чего сделаны клетки Фарадея?

Клетка Фарадея может быть изготовлена ​​из любого материала, проводящего электричество. Это может быть проволочная сетка, металлические листы или мотки проволоки.

Они могут быть любой формы, например, в виде коробки, сферы или цилиндра, и любого размера, от очень маленького до очень большого. Что-то простое, как 9По данным Университета штата Флорида, алюминиевая фольга 0005 может обеспечить внешний вид клетки.

Внешнее покрытие, или проводник, может быть очень тонким, как фольга, но его утолщение обеспечит дополнительную защиту от более мощных электрических полей.

Какие есть примеры клеток Фарадея?

Клетки Фарадея могут быть несколько сложными или чрезвычайно простыми; они могут варьироваться от размера обувной коробки до целого здания. Оберните свой телефон пластиком, а затем окружите его, например, алюминиевой фольгой, и это импровизированная клетка Фарадея.

Если у вас на кухне есть микроволновая печь, то она сама по себе является своего рода клеткой Фарадея, удерживающей микроволны внутри машины, чтобы они нагревали пищу и не выходили наружу, согласно журналу Physics Education (открывается в новой вкладке).

В более широком масштабе сканеры магнитно-резонансной томографии (МРТ) в медицинских учреждениях используют клетки Фарадея для предотвращения проникновения радиосигналов в комнату и помех для оборудования, что, по словам производителей сканеров МРТ, EEP (откроется в новой вкладке).

Является ли автомобиль клеткой Фарадея?

Вроде. Если молния ударит в ваш автомобиль, внешний вид автомобиля, скорее всего, защитит вас от связанных с этим электрических зарядов, поскольку его внешний вид может проводить электричество.

Резиновые шины автомобиля пропускают электричество от удара молнии в землю, снимая заряд с автомобиля, согласно Encyclopedia Britannica .

Автомобили, однако, не являются идеальными примерами клеток Фарадея. Если во время удара молнии вы касались какого-либо металла, соединенного с внешней частью автомобиля, последствия могут быть чрезвычайно опасными. Вы также можете получать сигнал на свой телефон, например, находясь в машине, что означает, что некоторое электромагнитное излучение может проникать внутрь и наружу.

Клетка Фарадея может защитить от удара молнии или чего-то похуже — вроде ЭМИ или солнечной вспышки. (Изображение предоставлено Getty Images)

(открывается в новой вкладке)

Нужно ли заземлять клетку Фарадея?

Заземление клетки Фарадея, то есть обеспечение выхода электрического заряда снаружи, важно с точки зрения безопасности, но для работы клетки Фарадея это не обязательно.

Без заземления электрический заряд останется снаружи клетки Фарадея. Если бы вы коснулись его, это могло бы позволить заряду пройти в вас, что было бы очень опасно.

Заземление клетки обеспечивает выход заряда. Это может быть провод для снятия заряда или что-то столь же простое, как шины на автомобиле, подключенном к дороге.

Являются ли клетки Фарадея незаконными?

Не совсем так. По большей части они хороши, и их можно увидеть в самых разных условиях, как мы объясняли ранее.

Однако в некоторых странах, таких как Великобритания, запрещено использование глушителей для блокирования сигналов, например, с телефона. Хотя клетки Фарадея технически законны, их использование в таком сценарии может быть сомнительным, по мнению Великобритании.0005 Управление связи (Ofcom) (открывается в новой вкладке).

В 2016 году, например, бар в Великобритании использовал клетку Фарадея, чтобы блокировать сигналы мобильных телефонов, чтобы клиенты не смотрели в свои телефоны; они создали клетку Фарадея, установив сетку из медной проволоки в потолок бара и металлическую фольгу в стены, сообщает NPR .

Блокируют ли клетки Фарадея Wi-Fi?

Да, если вы окружите свой интернет-роутер клеткой Фарадея, он больше не сможет передавать электромагнитное излучение наружу, блокируя вам доступ в интернет, согласно Популярная механика (открывается в новой вкладке).

Хотя это может быть интересным экспериментом, нет никаких практических причин для этого — если, как в случае с определенным баром, вы просто не хотите, чтобы люди в вашем доме перестали пользоваться своими телефонами.

Связанный: Сеть 5G: как это работает и опасно ли это?

Защитит ли клетка Фарадея от ЭМИ?

Электромагнитный импульс (ЭМИ) — оружие, предназначенное для нейтрализации электронного оборудования путем использования мощного электрического поля для создания коротких замыканий в таком оборудовании, согласно Департамент здравоохранения штата Вашингтон (открывается в новой вкладке).

Клетка Фарадея могла бы предотвратить такое нападение. Однако, учитывая силу электрического поля, связанного с ЭМИ, такая клетка должна быть как можно более водонепроницаемой, с толстыми проводящими стенками и без отверстий, которые могут пропустить внутрь заряд.

В то время как ЭМИ могут быть результатом действия оружия, естественные явления, такие как солнечные вспышки на нашем Солнце, также могут генерировать их, что делает клетки Фарадея потенциально полезным инструментом для защиты нас от таких явлений.

Дополнительные ресурсы

• Майкл Фарадей: жизнь от начала до конца (биографии изобретателей) (открывается в новой вкладке)
• Невидимая радуга: история электричества и жизни (открывается в 6 новая вкладка)
• The Story of Benjamin Franklin: A Biography Book for New Readers (The Story of: A Biography Series for New Readers)

Джонатан О’Каллаган — внештатный космический и научный журналист из Великобритании. Он специализируется на освещении коммерческих космических полетов, освоении космоса и астрофизики, а также освещает широкий круг научных вопросов, от CRISPR до изменения климата. Работы Джонатана публиковались в журналах Scientific American, Nature, New Scientist, The New York Times, Quanta, Forbes, Wired и многих других изданиях. Он также выступал на телевидении и радио в качестве эксперта по космосу для BBC и других организаций.

Клетка Фарадея своими руками

---

Фон

Клетка Фарадея представляет собой контейнер из проводящего материала, такого как проволочная сетка или металлические пластины, который защищает то, что в нем заключено, от внешних электрических полей. В наших экспериментах можно использовать клетку Фарадея, чтобы внешние электромагнитные помехи (ЭМП или шум) не мешали нашим нейронным записям. Как вы знаете, нейронные сигналы, которые мы записываем, очень малы (порядка микровольт), и мы используем наши Spikerbox для усиления этих слабых сигналов до достаточно большой амплитуды, чтобы мы могли их слышать и записывать. Однако в зависимости от окружающей среды могут существовать электромагнитные, радио-, микроволновые или другие типы невидимых излучений, которые могут распространяться по воздуху и взаимодействовать с металлическими иглами и проволокой, которые мы используем в качестве электродов. Затем металл распространяет шумовой сигнал, как антенна, в наши нейронные записи, мешая или даже заглушая наши записи, так что все, что мы слышим, в худшем случае, это радиостанция! Затем можно использовать клетку Фарадея для блокировки многих из этих источников шума.

Клетка Фарадея названа в честь ученого 1800-х годов Майкла Фарадея, но чтобы узнать, как работает клетка, мы начнем с другого известного ученого, Шарля-Огюстена де Кулона. Кулон много работал над динамикой заряженных частиц и электрических полей, которые они генерируют. Кулон определил, что электрическое поле «E» в радиусе «r» от стационарного точечного заряда «Q» можно рассчитать по этому уравнению:

Где ε ₀ — диэлектрическая проницаемость свободного пространства, а e _r — единичный радиальный вектор. Если вы не понимаете математику (когда-нибудь поймете), это означает, что чем дальше вы находитесь от источника электричества, тем меньше напряженность электрического поля. Если вы едете по шоссе и замечаете, например, что радиостанция замирает, это происходит потому, что вы удаляетесь от большой радиовышки.

Суть в том, что этот закон дает нам основу для математической зависимости, связывающей заряд и электрические поля в пределах фиксированного объема пространства. Клетка Фарадея заключает в себе такой фиксированный объем пространства, и, если клетка сделана из проводящего материала, определяющей характеристикой клетки является то, что она не позволяет внешним зарядам индуцировать электрические поля в этом объеме. Вот два основных правила, регулирующих этот барьерный эффект:

1. Закон Кулона требует, чтобы заряды в проводнике, находящемся в равновесии, находились как можно дальше друг от друга, и, таким образом, суммарный электрический заряд проводника полностью находится на его поверхности.
2. Любое результирующее электрическое поле внутри проводника заставит заряд двигаться, поскольку его много и оно подвижно, но равновесие требует, чтобы результирующая сила внутри проводника была равна нулю. Таким образом, электрическое поле внутри проводника равно нулю.

Правило 2 говорит нам, что электрическое поле внутри проводника в состоянии равновесия равно нулю, а Правило 1 говорит нам, что заряд проводника будет полностью находиться на поверхности (границе). Другими словами, поверхность проводящего объема становится барьером, где заряды движутся к поверхности и вокруг нее, создавая поля, точно противодействующие любому заряду, стремящемуся пересечь границу, тем самым сохраняя внутреннее пространство свободным от внешних электрических помех.

Фарадей впервые продемонстрировал это в знаменитом эксперименте с ведерком со льдом и металлической сферой. Фарадей опустил металлический шар, заряженный статическим электричеством, в металлическое ведро, поддерживаемое деревянным стулом, который изолировал ведро от земли.

Когда заряженный шар опускали в ведро, не касаясь ведра, заряды на поверхности ведра перераспределялись за счет электростатической индукции. Эта концепция стала известна как принцип клетки Фарадея, который вы сегодня изучаете.

Ниже мы рассмотрим влияние клетки Фарадея на различные условия при записи нейронов с помощью SpikerBox, а также проведем простой эксперимент, который вы можете провести дома. Вот видео, объясняющее очень простой способ сборки и использования клетки Фарадея.

Видео

Процедура

Сборка клетки Фарадея

Обратите внимание, что мы также продаем готовые клетки Фарадея, если вы не хотите посещать хозяйственный магазин.

1. Отмерьте прямоугольник размером 8 x 16 дюймов из металлической сетки экрана.
2. Вырежьте прямоугольник с помощью тяжелых ножниц.
3. Отмерьте и отрежьте пять деревянных планок длиной 8 дюймов.
4. Осторожно разверните прямоугольник из металлической сетки так, чтобы он лежал ровно
5. Начало сшивания металлической сетки через деревянные планки
6. Скрепите первую полосу на конце сетки.
7. Скрепите вторую полосу на расстоянии 5,5 дюймов от первой полоски, снова вдоль сетки
8. Скрепите третью полосу на расстоянии 2,5 дюйма от второй полоски
9. Скрепите четвертую полосу на расстоянии 5,5 дюймов от третьей полосы
10. Скрепите пятую полосу на дальнем конце сетки
11. Деревянные планки представляют собой распорки, поэтому, прикрепив их скобами, сложите сетку на каждой полосе, чтобы получилась прямоугольная коробка.

Использование клетки Фарадея для шипов

1. Подготовьте стандартный прибор для записи ножек таракана, как описано в эксперименте 1.
2. Создайте шумную обстановку, подключив ноутбук к сетевой розетке и включив паяльник или другой мощный прибор. Поместите свой SpikerBox рядом с этой электроникой, а также включите все люминесцентные лампы в комнате. Запишите свои наблюдения относительно уровня шума по сравнению с уровнем нейронного сигнала.
3. Прикрепите зажим типа «крокодил» к земле (снаружи разъема RCA) на Spikerbox.
4. Поместите Spikerbox в открытую клетку Фарадея. Запишите свои наблюдения относительно уровня шума по сравнению с уровнем нейронного сигнала.
5. Закройте клетку Фарадея, но ни к чему не прикрепляйте зажим типа «крокодил». Запишите свои наблюдения относительно уровня шума по сравнению с уровнем нейронного сигнала.
6. Подсоедините кабель типа «крокодил» к сетчатой ​​сетке клетки. Запишите свои наблюдения относительно уровня шума по сравнению с уровнем нейронного сигнала

Использование клетки Фарадея на мобильных телефонах

Микроволновые печи являются примерами клеток Фарадея, потому что они предназначены для предотвращения выхода излучения, используемого для приготовления пищи, в окружающую среду. Алюминиевая фольга — проводящий материал, который также можно использовать для быстрого создания импровизированной клетки Фарадея (просто спросите у своего соседа-нейробиолога).

1. Позвоните на свой мобильный телефон и убедитесь, что он звонит (это ваш контроль).
2. Затем возьмите свой мобильный телефон и положите его в (выключенную!) микроволновую печь.
3. Позвоните на сотовый телефон с другого телефона. Звонит?
4. Затем откройте дверцу микроволновки и наберите на сотовом телефоне номер своего домашнего телефона. Как только вы нажмете «отправить», быстро закройте дверцу микроволновки. Ваш домашний телефон звонит?
5. Наконец, оберните сотовый телефон алюминиевой фольгой. Снова звонить на сотовый? Звонит?

Вопросы для обсуждения

1. Как вы думаете, что сделает клетка Фарадея с электромагнитным сигналом, исходящим из клетки? Сможет ли кто-то за пределами клетки Фарадея получить этот сигнал?
2. Где было бы идеальное место для записи?
3. Как вы думаете, что произойдет, если вы будете использовать проволочную сетку с большими отверстиями вместо металлической сетки с маленькими отверстиями для своей клетки Фарадея?
4. Как вы думаете, почему шум сотового телефона все еще мешает работе SpikerBox, несмотря на то, что отверстия в нашей клетке Фарадея меньше расчетных 1,4 см?

Дополнительно (представлено пользователем)

Можно также использовать старую металлическую коробку, съев из нее все печенье.