Cusca Faraday

Cușca Faraday îi protejează pe cei din interior de șocuri electrice.

Prin cușcă Faraday înțelegem orice sistem constând dintr-un container din material electric conductiv (sau conductor gol) capabil să izoleze mediul intern de orice câmp electrostatic prezent în afara acestuia, oricât de intens ar fi acesta.

Termenul cușcă este folosit pentru a sublinia faptul că sistemul poate fi constituit nu numai de o tablă continuă, ci și de o plasă sau o serie de bare distanțate corespunzător.

Trebuie menționat, totuși, că corpul extern nu va fi la fel de izolat ca cel intern, deoarece cușca, fiind traversată de o sarcină electrostatică activă, odată ce un potențial electric ridicat este atins , va încerca să descarce potențialul excesiv pe corpuri extern.

Istorie

Descoperirea lui Faraday

Intrarea unei camere Faraday

În 1836 , Michael Faraday a observat că într-un conductor gol, încărcat electric, sarcinile sunt concentrate pe suprafața exterioară și nu au nicio influență asupra a ceea ce este în interior. Pentru a demonstra acest lucru, a construit o cameră acoperită cu o foaie de metal și a aplicat din exterior tensiunea înaltă produsă de un generator electrostatic . Folosind un electroscop, el a arătat că nu există sarcină electrică în interiorul camerei.

Descriere

Principiul de funcționare

Redați fișierul media

Video care arată cum o persoană din interiorul cuștii rămâne nevătămată în ciuda faptului că a fost lovită de șocuri electrice repetate

Distribuirea taxelor într-o cușcă Faraday.

Funcționarea cuștii Faraday poate fi explicată ca o funcție a teoremei lui Gauss, care permite descrierea distribuției sarcinii electrice într-un conductor.

Intuitiv, deoarece sarcinile aceluiași semn se resping reciproc, acestea tind să se deplaseze la distanța maximă reciprocă, care corespunde situației în care sunt concentrate la periferia conductorului. Dacă suprafața este aproximativă cu un conductor ideal (cum ar fi o suprafață metalică închisă), se determină o suprafață echipotențială pe ea, adică o suprafață în care potențialul electric este identic în fiecare punct, iar câmpul electric din interior este zero.

Acum, luați în considerare cazul unei cavități din conductor: din teorema Gauss și a divergenței rezultă că fluxul câmpului electric în suprafața internă care delimitează cavitatea trebuie să fie zero, deoarece nu există nicio sarcină în interior. Un câmp electric solenoidal ar putea fi apoi presupus, dar acest lucru este imposibil datorită faptului că câmpul considerat este un câmp static și, prin urmare, cu circulație zero pe suprafața internă. Deoarece acest câmp este lipsit de vortexuri și surse, trebuie să fie, așadar, identic zero.

Principiul de funcționare al paratrăsnetului derivă, de asemenea, din aceeași teoremă a lui Gauss. Puterea vârfurilor este tendința încărcărilor electrice de a se acumula acolo unde suprafața este mai mică, deoarece există cel mai intens câmp electric.

Cusca Faraday este cel mai bine înțeleasă ca o aproximare a unui conductor gol ideal. Câmpurile electromagnetice aplicate extern sau intern produc forțe asupra purtătorilor de sarcină (de obicei electroni) în interiorul conductorului, iar sarcinile sunt redistribuite în consecință (și astfel se generează curenți electrici de scurtă durată). După mutarea încărcăturilor astfel încât să anuleze câmpul electric aplicat în interior, curenții încetează. Dacă o încărcătură este plasată într-o cușcă Faraday fără legătură, fața interioară a cuștii devine încărcată (la fel cum se întâmplă pe fața exterioară pentru o încărcare externă) pentru a preveni existența unui câmp în interiorul cuștii. Corpul cuștii. Cu toate acestea, această încărcare interioară a feței redistribuie încărcăturile din corpul cuștii. Aceasta încarcă fața externă a cuștii cu o încărcare egală în semn și amplitudine cu cea poziționată în interiorul cuștii, în timp ce pe fața internă va exista aceeași încărcare, dar cu semn opus (vezi ilustrația de sub „ conductor electric ”).

Deoarece sarcina internă și fața internă se anulează reciproc, răspândirea sarcinilor pe fața externă nu este afectată de poziția sarcinii în interiorul cavității coliviei. Astfel, cușca generează același câmp electric pe care l-ar genera dacă ar fi pur și simplu influențat de sarcina plasată în interior. Nu același lucru este valabil și pentru undele electromagnetice, în care câmpurile electrice și magnetice sunt variabile în timp. În cazul în care sarcina internă este plasată pe suprafața internă într-o perioadă scurtă de timp, purtătorii se vor întoarce pentru a se distribui uniform și în mod egal pe cei doi pereți, dar conductorul nu va mai fi neutru în general, astfel încât jumătate din sarcina inițial în cavitatea va fi pe suprafața internă și jumătate pe cea externă, prin urmare, cei doi pereți vor avea aceeași sarcină cu același semn. Dacă cușca se află la sol, sarcinile în exces vor merge la sol în loc de fața exterioară, astfel încât fața interioară și încărcătura interioară se anulează reciproc, iar restul cuștii va menține o sarcină neutră, ceea ce constituie un efectiv dispozitiv de siguranță. La fel se întâmplă dacă excesul de sarcină este plasat pe suprafața exterioară.

Modelul descris mai sus se aplică câmpurilor statice. Atunci când cușca este traversată de curent electric, nu mai este în condiții electrostatice și în metal există o diferență de potențial non-zero care permite curentul în sine; în astfel de condiții, legea lui Ohm este valabilă și o parte din curent ar putea trece printr-un corp plasat în interiorul său; acest lucru face ca cușca Faraday să fie un instrument de protecție nepăsător.

Dacă luăm în considerare o undă electromagnetică incidentă, efectul cuștii poate fi explicat într-un mod diferit. Un câmp electromagnetic care afectează suprafața conductoare induce o mișcare de sarcini ( curent electric ) care generează un câmp magnetic astfel încât să se opună câmpului inductor (a se vedea legea Faraday-Neumann-Lenz ). Acest lucru împiedică efectiv câmpul să-l traverseze, atât în interior, cât și în exterior. Eficacitatea ecranării unui câmp electromagnetic depinde de geometria materialului. În cazul unui câmp electric variabil neliniar și, prin urmare, a unui câmp magnetic variabil cuplat, cu cât variațiile sunt mai rapide (adică, cu cât sunt frecvențe mai mari), cu atât materialul rezistă mai bine la penetrare, dar, pe de altă parte, câmpul electromagnetic crește trece printr-o plasă cu dimensiunea dată a coliviei. În acest caz, ecranarea depinde și de conductivitatea electrică a materialelor conductoare utilizate în cuști, precum și de grosimea acestora. În realizările practice, efectul de ecranare este limitat de rezistența electrică a materialului care, datorită efectului Joule, reduce cantitatea de curenți induși. Mai mult, multe materiale conductoare prezintă fenomenul feromagnetismului , care limitează efectul de protecție la frecvențe joase. Adâncimea până la care câmpul electromagnetic poate pătrunde este descrisă de efectul pielii .

Aplicații practice

Acest efect de protecție este utilizat pentru a proteja mediile și echipamentele de câmpurile externe, cum ar fi cele generate de fulgere .

Sistem de paratrăsnet

Cușca Faraday este cel mai adoptat sistem de protecție pentru protecția clădirilor împotriva descărcărilor atmosferice.

Cusca Faraday este formată din:

membri de colectare constând dintr-o rețea de conductori electrici cu ochiuri sudate dispuse pe capacul de protejat;
coborâre sau dispozitive care se conectează la coborâre de colectare a dispozitivelor la construirea pământului tije.

Electronică

O altă aplicație este în electronică pentru a elimina interferențele din câmpurile electromagnetice externe din echipamentele de radio și telecomunicații sau pentru a preveni ca câmpurile electromagnetice să scape dintr-un mediu, ca în cazul unui cuptor cu microunde . În acesta din urmă există o plasă metalică pe ușă: în acest fel, în timpul utilizării sale, este protejat de microunde , menținând în același timp posibilitatea de a vedea vasele.

Curiozitate

Utilizarea unui cuptor cu microunde ca o cușcă Faraday pentru a preveni scăparea câmpurilor electromagnetice dintr-un mediu închis este prezentată în filmul Snowden , când protagonistul Edward Snowden pune telefoanele mobile ale jurnaliștilor care au venit să-l intervieveze tocmai pentru a le împiedica difuzare. orice în afara camerei de hotel, fără știrea lui.

Cușca Faraday este menționată și în serialul TV Better Call Saul de Chuck, care își creează unul în propria casă după ce a fost la spital în episodul final al celui de-al doilea sezon.

În filmul Transcendență , protagonistul Will Caster, interpretat de Johnny Depp , construiește o grădină Faraday în grădina sa folosind cupru pentru a crea un mediu izolat pentru el și soția sa Evelyn din lumea exterioară.

În serialul TV Lost in Space, doi dintre protagoniștii Maureen Robinson și fiica ei Penny, interpretați, respectiv, de Molly Parker și Mina Sundwall , se protejează de trăsnetele unei planete extraterestre într-un vehicul care acționează ca o cușcă Faraday.

În filmul Inamicul statului, agentul NSA pensionar Edward Lyle își păstrează echipamentele electronice într-o cușcă Faraday din subsolul bârlogului său secret pentru a le proteja de lumea exterioară.