Warto przeczytać

W 1836 roku fizyk angielski, Michael Faraday, wyłożył pomieszczenie metalową osłoną. We wnętrzu pomieszczenia umieścił elektroskopy, których zadaniem było zarejestrowanie istnienia pola elektrycznego wewnątrz takiego pomieszczenia. Dokonywane wyładowania elektryczności statycznej na zewnątrz pomieszczenia nie spowodowały, zgodnie z przypuszczeniem eksperymentatora, pojawienia się pola elektrycznego w jego wnętrzu. Klatka Faradaya jest to komora, która pełni rolę osłony przed polem elektrostatycznym (Rys. 1.). Jej nazwa pochodzi od nazwiska angielskiego naukowca Michaela Faradaya. Klatki Faradaya stosuje się, by osłonić urządzenia elektroniczne przed zakłóceniami lub ze względów bezpieczeństwa.

R1SltlEjRxcE2

Rys. 1. Rysunek przedstawia artystyczną wizję działania klatki Faradaya. Mimo generowanych wyładowań elektrycznych pole wewnątrz klatki pozostaje zerowe.

Działanie klatki Faradaya wynika z własności przewodników w polu elektrycznym. Jeśli umieścimy przewodnik w polu elektrycznym, pole dokona rozsunięcia swobodnych ładunków w przewodniku. Ładunki wyindukowane na powierzchni przewodnika wytworzą własne pole elektryczne, które zniweluje pole zewnętrzne.

Rozważmy następujący eksperyment. Aluminiową puszkę (np. po napoju) umieszczamy w pobliżu źródła pola elektrycznego, np. naładowanej elektrycznie laski ebonitowejLaska ebonitowalaski ebonitowej (Rys. 2a). Puszka jest elektrycznie obojętna, tzn. zawiera tą samą liczbę ładunków dodatnich i ujemnych.

RCnNrGdwyeuw9

Rys. 2. Rysunek przedstawia dwie puszki aluminiowe ustawione obok siebie. Puszka z lewej strony jest nienaelektryzowana więc występujące w niej ładunki są wymieszane. Do puszki z prawej strony przysunięto naelektryzowany ujemnie pręt. Spowodowało to naelektryzowanie puszki przez indukcję i rozsunięcie występujących w niej ładunków. Ładunki dodatnie powędrowały w pobliże pręta a ujemne w stronę przeciwną.

Jednak gdy puszka znajduje się w polu elektrycznym, dochodzi do zjawiska indukcji elektrostatycznejIndukcja elektrostatycznaindukcji elektrostatycznej. Swobodne elektrony, które mają ładunek ujemny, przesuwają się przeciwnie do kierunku pola, przez co jedna strona puszki zostaje naładowano ujemnie, a druga strona dodatnio (Rys. 2b). Taki rozkład ładunku sprawia, że wewnątrz puszki pojawia się pole elektryczne, które jest przeciwnie skierowane do pola zewnętrznego, które spowodowało rozsunięcie ładunków. Wypadkowa obu pól jest równa zeru, co oznacza, że obszar wewnątrz puszki jest odizolowany od zewnętrznego pola elektrycznego.

R1JZHlLzEr1X0

Rys. 3. Rysunek przedstawia zdjęcie modulatora częstotliwości radiowych znajdującego się na płytce drukowanej zamkniętego w metalowej, ochronnej, prostopadłościennej osłonie.

RXw6g0Ox3m9Wq

Rys. 4. Rysunek przedstawia kabel wielożyłowy miedzy którego przewodami a zewnętrzną, czarną, plastikową izolacją umieszczono ekran w postaci metalowej zaplecionego drutu. Dodatkowo jeden z przewodów pokryto folią aluminiową.

Klatki Faradaya mogą mieć postać przewodzącej osłony, metalowej powłoki (np. plastikowej obudowy pomalowanej przewodzącą farbą, Rys. 3.) lub siateczki tworzącej zamkniętą komorę (Rys. 4.). Jednak bez względu na kształt, zasada działania pozostaje ta sama: zjawisko indukcji elektrostatycznej powoduje zerowanie pola elektrycznego wewnątrz klatki.

Trudno znaleźć zastosowanie klatki Faradaya w przedmiotach i rzeczach, które używamy w życiu codziennym. Wiele informacji wskazuje jednak, że korpus, czy też obudowa kuchenki mikrofalowej przypomina swoim działaniem klatkę Faradaya. Podobnie jak w przypadku klatki, we wnętrzu mikrofalówki fale o pewnej długości odbijają się, powoduje to znaczne zwiększenie temperatury, lecz nie wydostaje się poza korpus.

Innym ciekawym przykładem jednego z rodzajów klatki Faradaya jest samolot. W przypadku uderzenia pioruna w samolot, po jego kadłubie przepływa prąd, który indukuje pole magnetyczne oraz pole elektryczne wewnątrz kadłuba. Podróżni i pasażerowie przebywający w tym czasie w samolocie nie są narażeni na bezpośrednie niebezpieczeństwo wynikające z uderzenia pioruna.

R1EhOzxhRequo

Rys. 5. Rysunek przedstawia zdjęcie cewki tesli pokazanej w postaci cewki miedzianej nawiniętej na pionowy pal, na którego szczycie przymocowano dwa metalowe torusy. Cewka generuje wyładowania elektryczne, które uderzają w klatkę, w której zamknięty jest człowiek. Dzięki zastosowaniu klatki Faradaya człowiek zamknięty w klatce nie odnosi obrażeń.

Jak widać, tzw. klatka Faradaya (zwana też puszką Faradaya Rys. 5.) doczekała się wielu zastosowań. Niemal dwieście lat temu była zwykłą ciekawostką, jedną spośród wielu związanych z nową dziedziną wiedzy – elektrycznością. Zastosowanie praktyczne znajdywała jedynie w badaniach naukowych, przy bardzo precyzyjnych pomiarach ładunków elektrycznych i pól elektrostatycznych.

Warto podkreślić, że przez dziesiątki lat klatki takie „chroniły” ludzi i przedmioty przed niektórymi skutkami uderzenia piorunów - często przypadkowo. W wieku dwudziestym, gdy powszechne stały się samochody i samoloty, im najczęściej przypisywano zdolność do takiej „ochrony”, ze względu na metalową konstrukcję. Trzeba jednak pamiętać, że klatka Faradaya „chroni” swoje wnętrze przed pojawieniem się w nim pola elektrostatycznego. Tymczasem wyładowaniu atmosferycznemu towarzyszy przepływ bardzo silnego prądu elektrycznego; wytwarzane są przy tym fale elektromagnetyczne. W takim przypadku klatka Faradaya tylko częściowo spełnia swoją rolę „ochronną” – zależy to od szczegółów jej konstrukcji oraz od częstotliwości fali elektromagnetycznej, która pada na klatkę.

Dzisiaj w naszym otoczeniu mamy do czynienia z ogromną ilością źródeł fal elektromagnetycznych; mówi się o „szumie” a nawet o „smogu elektromagnetycznymSmog elektromagnetycznysmogu elektromagnetycznym”. Często zależy nam na ekranowaniu tych fal albo na odseparowaniu się od nich. Klatki Faradaya, najczęściej w postaci zamkniętych osłon z gęstej siatki, służą do ochrony czułej aparatury (np. diagnostycznej medycznej, naukowej) przed zewnętrznymi źródłami pola elektrycznego czy elektromagnetycznego.

Wiele jest też zastosowań odwrotnych: w klatkach Faradaya zamykane są urządzenia emitujące fale elektromagnetyczne jako uboczny efekt swojego działania, gdy nie chcemy, by emitowane przez nie fale docierały do innych urządzeń. Może nam zależeć na uniknięciu zakłóceń (np. pracy odbiornika telewizyjnego przez silnik elektryczny odkurzacza) albo na zablokowaniu „podsłuchu elektromagnetycznego” czyli dostępu przez urządzenia postronne do informacji emitowanych – właśnie jako skutek uboczny – podczas normalnej pracy naszego urządzenia (np. przez pracujący komputer). W takich przypadkach zamykamy urządzenie „nadawcze” w klatce Faradaya.

Słowniczek