Фарадеев кафез

Фарадеев кафез (или Фарадеева заштита) — затворен простор направен од проводен материјал или пак мрежест проводен материјал. Просторите оградени на овој начин ги запираат надворешните статични и нестатични електрични полиња на тој начин што ја спроведуваат струјата низ мрежата, со што се овозможува постојан напон на сите страни од затворениот простор. Бидејќи разликата на напонот е мерката за електричен потенцијал, се доваѓа до заклучокот дека нема проток на струја во просторот. Фарадеевите кафези се наречени според англискиот научник Мајкл Фарадеј, кој ги осмислил во 1836г..^[1]

Фарадеевиот кафез работи така што надворешното елктрично статично поле предизвикува електричните полнежи да се распределат низ проводникот на таков начин што ќе го поништат ефектот на полето во внатрешноста на кафезот. Оваа појавсе искористува, на пример, за заштита на електронската опрема од удари на гром и други електростатички празнења.

Фарадеевите кафези не не можат да ги запрат статичните или слабо променливите магнетни полиња, како што е на пример Земјиното магнетно поле ( компасот би работел и во кафезот). Но до некој степен, сепак, во внатрешноста заштитуваат од надворешни електромагнетни зрачења ако проводникот е доволно дебел и празнините кој ги поседува се значајно помали од брановата должина на зрачењето. На пример, одредени компјутерски техники за вештачење на електронски системи за чие испитување потребна е средина без присуство на електромагнетни пречки се изведуваат во т.н. чиста соба. Овие соби се простори кои се целосно со еден или повеќе слоеви на тенка метална мрежа или издупчен метален лим. Металните слоеви се зазамјени за да ги одведуваат електричните струи создадени од надворешни или внатрешни електрични полиња, а со тоа и блокираат големо количество на електромагнетните пречки. Погледај електромагнетна заштита.

Приемот и оддавањето на радио бранови, еден вид на електромагнетно зрачење, од или кон антена во внатрешноста на Фарадеевиот кафез е силно отежнато или целосно запрено од самиот кафез.

Историја

Во 1836г., Мајкл Фарадеј забележа дека вишокот на полнеж на наелектризиран проводник се наоѓа само на површината на проводникот и нема никаков проток на струја во средишниот дел на проводникот. За да го докаже ова, Фарадеј покрие една соба со метална фолија и притоа од надворешната страна од собата постави високо напонски електростатички генератор да испушта искри на собата. Со употреба на електроскоп докажа дека не постои електричен полнеж на внатрешната страна од ѕидовите на собата.

Иако овој ефект на кафез се верува дека е добиен при Фарадеевиот познат опит со кофа мраз изведен во 1843г., но сепак Бенџамин Френклин бече првиот кој го набљудувал овој ефект во 1755 г. спуштајќи ненаелкетрризирана топка од плута врзана на свилен конец низ отвор на електрично наелектризирана метална конзерва. Самиот изјавил, „плутата не била привлечена во внатрешноста на конзервата како што била привлекувана од надворешната страна на конзервата, иако истата го допирала дното, сепак кога ќе била извлечена од конзервата топката не била наелектризирана (немала полнеж) од допирот со дното, како што бил случајот кога ќе се допрела со надворешноста од конзервата. Појавата е еднострана.“ Френклин ја осознал појавата која ние денес ја нарекуваме Фарадеев кафез.^[2]

Начин на работа

Најдобриот начин за да се разбере начинот на работа на Фарадеевиот кафез е истито да се спореди со идеален шуплив проводник. Надворешно или внатрешно принесените електромагнетни полиња создаваат сили или носители на полнеж (најчесто електрони) во самиот проводник, полнежите се распределени соодветно (всушност, се создаваат електрични струи). Во моментото кога струите ќе се прераспределат при што се поништува полето во внатрешноста струите престануваат со својот тек.

Ако полнеж се смести во внатрешноста на незаземјен Фарадеев кафез, внатрешноста на кафезот станува наелектризирана (на ист начин како при надворешната страна) затоа е потребно заземјување за да се спречи постоењето на поле во внатрешноста. Но, ваквото наелектризирање на внатрешноста го распределува полнежот во внатрешноста на кафезот. Ова го наелектризирува надворешниот дел од кафезот со полнеж еднаков по големина со оној које во внатрешноста на кафезот. Бидејќи внатрешниот полнеж и внатрешната страна се поништуваат меѓусебно, распределбата на полнежите на надворешноста не е под влијание на местоположбара на внатрешниот полнеж во кафезот. Па со сите намени и цели, кафезот создава права струја и електричното поле кое ќе се создаде ако биде под влијание на полнежот од внатрешноста. Истото не важи за електромагнетните бранови.

Ако кафезот е заземјен, вишокот на полнеж ќе замине во земјата наместо на надворешноста на кафезот, па внатрешноста и внатрешниот полнеж ќе се поништат и остатокот од кафезот нема да поседува полнеж.

Корисноста на заштитата од статично електрично поле зависи од геометријата на проводниот материјал. Во случајот за нелиниски променливи електрични полиња, а тука е и придружното променливо магнетно поле, и колку што се побрзи промените (т.е., колку е поголема честотата), толку подобро проводникот се спротивставува на пробивањето на полнежот, но од друга страна, подобро минува низ мрежа со одредена големина. Во овој случај заштитата зависи од електричната спроводливост на проводните материјали кои се користат кај кафезите, како и од нивната дебелина.

Примери

Микробрановата печка користи Фарадеев кафез, кој може да се види како делумно го прекрива проѕирниот дел на микробрановата печка, со што микробрановата енергија останува во кафезот.^[3]
Лифтвите и останатите соби со метална проводна рамка го симулираат ефектот на Фарадеевиот кафез, со што создаваат губиток на сигнал или „мртви зони“ за корисниците на мобилни телефони, радија и други електронски направи кои користат надворешни електромагнетни сигнали. Мали, Фарадееви кафези се користат од електро инженерите за време на тестирање на направите за да се утврди дека истите работат при услови слични на Фарадеев кафез.
Заштитата на заштитениот кабел, како што се USB каблите или пак коаксијалните кабли кои се користат кај телевизијата, ги заштитуваат внатрешните проводници од надворешни електрични пречки и се спречува истекување на сигналите од самиот кабел.
Торба за кражби (торба за купување од внатрешноста обвиена со алуминиумска фолија) се однесува како Фарадеев кафез. Често се употребува од крадци за да украдат радиочестотно заштитени производи.^[4]

Пластични кеси кои се собвиени со метал се користат за запечатување на електрични направи за време на испорака до потрошувачите, за да не се забележи испораката при премин на камионот низ наплатна патаринска рампа.
Некои од работниците со струја носат Фарадееви кафези, со што им се овозможува да работат на жици под напон, високонапонски жици без опасност да добијат електричен удар.
Собата за снимање со магнетна резонанца е конструирана како фарадеев кафез. Со тоа се спречуваат надворешн радио бранови да се измешаат со податоците од пациентот, кои ќе ја нарушат сликата.
Фарадеевите кафези се во употреба во аналитичката хемија за да се намалат пречките додека се извршуваат прецизни мерења. Домашно направен Фарадеев кафез за употреба при микроскопски и електрохемиски мерења е прикажан десно.
Фарадеев кафез беше употребен во Ватикан во 2013 г. за да се заштити Систинската капела од електронско прислушување за време на тајната папска конклава при изборот на следниот папа.^[5]
Автомобилските и авионските патнички делови се всушност Фарадееви кафези, кои ги штитат патниците од електрични празнења, како што се молњите за време на бура.