Klatka Faradaya – czym jest i jak działa?

Klatka Faradaya znana jest od dawna w świecie fizyki, pierwsza klatka została zaprojektowana w 1836 roku i ma szerokie zastosowanie do dzisiaj. Wiele osób nie zdaje sobie sprawy z tego, że klatka Faradaya ma swoje zastosowanie w naszym otoczeniu. Działanie klatki Faradaya to bardzo proste zastosowanie podstawowych zasad fizyki. Najpopularniejszym przykładem jest samochód. W poradniku przedstawimy informacje na temat jej działania oraz zastosowania.

Co to jest klatka Faradaya?

Czym tak naprawdę jest Klatka Faradaya? W skrócie to osłona elektrostatyczna, która ma na celu chronić urządzenia przed działaniem zewnętrznego pola elektrycznego. Najczęściej występuje w postaci metalowego naczynia lub siatki. W niektórych przypadkach klatkę Faradaya wykorzystuje się do gromadzenia ładunków elektrycznych. Pierwsza klatka skonstruowana została przez fizyka Micheal’a Faradaya w 1836 roku, to właśnie od jego nazwiska powstała nazwa klatka Faradaya, znana również jako kabina elektromagnetyczna oraz siatka Faradaya. Wykonana jest z zamkniętego metalowego pudełka lub gęstej siatki, metal nie absorbuje fal o długości zbliżonej do odległości między atomami metalu. W przypadku budowy klatki Faradaya z drobnej siatki, przez jej otwory nie przenikają fale o długości większych od pomiary otworów w siatce.

---

Zobacz także: Co przyciąga pioruny?

---

Jak działa klatka Faradaya?

Klatka Faraday chroni przed zewnętrznym działaniem pola elektrycznego. Na powierzchni przewodnika potencjał elektryczny musi być w każdym miejscu równy, działanie klatki Faradaya polega na właściwościach, które przyczyniają się do niewnikania pola elektrycznego do środka klatki, dzięki temu nie występuje w niej pole elektryczne.
W wyniku pojawienia się pola elektrycznego w przewodniku ładunki zaczynają się przemieszczać (to zjawisko indukcji). Prawo indukcji Faradaya głosi, że siła elektromotoryczna indukcji jest wprost proporcjonalna do szybkości zmian strumienia magnetycznego przechodzącego przez dany obwód zamknięty. Wszystkie ładunki znajdujące się na powierzchni klatki Faradaya przyczyniają się do powstawania w środku klatki pola elektrycznego o przeciwnym zwrocie do zwrotu pola elektrycznego na zewnątrz klatki. Ładunki przesuwają się do momentu, gdy pole elektryczne na powierzchni klatki zostanie zrównoważone przez pole, które zostało wytworzone na powierzchni metalu. Zjawisko to powoduje, że pole elektryczne będzie nieaktywne, pojawią się ładunki dodatnie oraz ujemne po jednej i drugiej stronie klatki Faradaya.

Zastosowanie klatki Faradaya w życiu codziennym

Trudno znaleźć zastosowanie klatki Faradaya w przedmiotach i rzeczach, które używamy w życiu codziennym. Wiele informacji wskazuje na fakt, że korpus/obudowa kuchenki mikrofalowej przypomina swoim działaniem klatkę Faradaya. Podobnie jak w przypadki 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 rodzaju 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.

Kolejnym przykładem, który jest zdecydowanie najpopularniejszym to samochód. To dobre miejsce, w którym możemy schować się podczas burzy. Przez samochód nie przenika prąd, dlatego jest dla nas bezpiecznym miejscem. Przeczytaj także nasz artykuł na temat jak zachować się podczas burzy. W życiu codziennym trudno szukać szerokich zastosowań klatki Faradaya. Warto jednak wiedzieć, że w innych dziedzinach życia są znacznie częściej wykorzystywane. W medycynie oraz w przypadku pomieszczeń medycznych, gdzie wykonuje się badanie rezonansem magnetycznym, możemy zobaczyć działanie i zastosowanie klatki Faradaya.

---

Zobacz także: Piorun, grzmot, błyskawica – jak powstają?

---

Do czego służy Klatka Faradaya?

Klatka Faradaya służy głównie do ochrony przed falami elektromagnetycznymi, takimi jak fale radiowe, mikrofalowe i inne zakłócenia elektromagnetyczne. Główne zastosowania Klatki Faradaya obejmują:

1. Ochrona elektroniki: Klatki Faradaya są często używane w urządzeniach elektronicznych, takich jak komputery, telewizory, telefony komórkowe i sprzęt audio-wideo. Chronią te urządzenia przed zakłóceniami elektromagnetycznymi, które mogą wpłynąć na ich działanie lub wydajność.
2. Laboratoria i badania naukowe: W laboratoriach naukowych, gdzie przeprowadza się precyzyjne eksperymenty, Klatki Faradaya są wykorzystywane do izolowania aparatury pomiarowej od zakłóceń elektromagnetycznych pochodzących z otoczenia. To pozwala na dokładniejsze i wiarygodniejsze pomiary.
3. Pomieszczenia kontrolowane: W niektórych miejscach, takich jak pomieszczenia kontrolowane w przemyśle lotniczym, wojskowym, medycznym czy telekomunikacyjnym, Klatki Faradaya są używane do zapewnienia pełnej izolacji od wszelkich źródeł zakłóceń elektromagnetycznych, co jest kluczowe dla prawidłowego funkcjonowania urządzeń w tych środowiskach.
4. Ochrona przed szpiegostwem elektromagnetycznym: Klatka Faradaya może być wykorzystywana w celu zabezpieczenia poufnych informacji i urządzeń przed potencjalnymi próbami szpiegostwa elektromagnetycznego, w którym próbuje się odczytać lub zakłócić emisję elektromagnetyczną urządzeń.
5. Eksperymenty naukowe: W niektórych eksperymentach naukowych, zwłaszcza tych związanych z elektromagnetyką, Klatki Faradaya są używane do kontrolowanego oddzielania obszarów, które są lub nie są narażone na pole elektromagnetyczne.
6. Testowanie sprzętu elektronicznego: Przemysł elektroniczny wykorzystuje Klatki Faradaya do przeprowadzania testów kompatybilności elektromagnetycznej (EMC), aby upewnić się, że produkty spełniają normy dotyczące emisji i odporności na zakłócenia elektromagnetyczne.

Podsumowując, Klatka Faradaya jest używana w celu zabezpieczenia urządzeń, pomieszczeń i eksperymentów przed wpływem niepożądanych fal elektromagnetycznych, co ma kluczowe znaczenie w wielu dziedzinach życia i nauki.

Jak zrobić klatkę Faradaya?

Zbudowanie Klatki Faradaya w domu może być trudnym zadaniem, ponieważ wymaga odpowiednich materiałów i umiejętności technicznych. Klatka Faradaya składa się z przewodzących materiałów, które tworzą ekran elektromagnetyczny, chroniący przed falami elektromagnetycznymi. Oto ogólny przewodnik, ale należy pamiętać, że to bardziej zaawansowany projekt i może wymagać specjalistycznej wiedzy i narzędzi:

Materiały i narzędzia potrzebne do budowy prostej Klatki Faradaya:

1. Metalowa siatka lub blacha: Najlepiej używać przewodzącego metalu, takiego jak aluminium lub miedź. Możesz użyć blachy lub siatki dostępnej w sklepach z materiałami budowlanymi.
2. Ramka: Potrzebujesz ramki, aby utworzyć strukturę Klatki Faradaya. Może to być drewniana lub metalowa ramka, która utrzyma materiał przewodzący.
3. Narzędzia do cięcia i montażu: Ostrze do cięcia metalu, narzędzia do montażu ramki (śruby, wkręty itp.).
4. Uziemienie: Uziemienie jest ważnym elementem Klatki Faradaya. Musisz dostarczyć bezpieczne uziemienie, które odprowadzi prąd elektryczny, który może gromadzić się na klatce Faradaya w wyniku oddziaływania fali elektromagnetycznej.

Kroki do budowy prostej Klatki Faradaya:

1. Wybór materiału: Wybierz przewodzący materiał, którym będzie metalowa siatka lub blacha. Upewnij się, że materiał jest dostatecznie przewodzący, aby skutecznie odbijać fale elektromagnetyczne.
2. Zbuduj ramkę: Skonstruuj ramkę, która pomieści wybrany materiał przewodzący. Możesz dostosować rozmiar ramki do swoich potrzeb.
3. Przytwierdź materiał przewodzący: Przytwierdź materiał przewodzący do ramki. Upewnij się, że materiał jest napięty i nie ma przerw, które mogłyby umożliwić przenikanie fal elektromagnetycznych.
4. Uziemienie: Zainstaluj uziemienie, aby bezpiecznie odprowadzać prąd elektryczny. Uziemienie może polegać na podłączeniu metalowej ramki do ziemi za pomocą przewodnika.
5. Testowanie: Przeprowadź testy, aby sprawdzić skuteczność Klatki Faradaya. Możesz użyć urządzeń do pomiaru poziomu fal elektromagnetycznych wewnątrz i na zewnątrz klatki.

Pamiętaj, że to tylko ogólny przewodnik, a zbudowanie skutecznej Klatki Faradaya może być trudniejsze niż się wydaje. Jeśli planujesz używać jej w celach naukowych lub ochrony przed interferencją elektromagnetyczną, warto skonsultować się z ekspertem lub inżynierem elektrykiem, aby zapewnić jej skuteczność i bezpieczeństwo.

Czy samochód działa jak klatka Faradaya?

Klatka Faradaya to pojęcie z dziedziny elektrostatyki i elektromagnetyzmu, które jest stosowane w kontekście ochrony przed wpływem pól elektromagnetycznych i elektrostatycznych, takich jak pioruny. Klatka Faradaya jest skonstruowana z przewodzącego materiału, który skupia i przewodzi ładunki elektryczne na swojej powierzchni, chroniąc wnętrze przedmiotu lub pomieszczenia przed wpływem tych pól.

W przypadku samochodu, karoseria wykonana jest z metalu, który jest przewodnikiem elektrycznym. Teoretycznie, w czasie burzy, samochód może działać jako rodzaj klatki Faradaya, przyciągając ładunki elektryczne na swoją powierzchnię i chroniąc wnętrze przed wpływem piorunów. Oznacza to, że osoby w samochodzie są w pewnym stopniu chronione przed uderzeniem pioruna w samochód, ponieważ prąd elektryczny zostanie skierowany przez karoserię do ziemi.

Jednak w praktyce istnieje kilka kwestii do rozważenia:

1. Pioruny są niebezpieczne i mogą powodować uszkodzenia nawet wtedy, gdy są przewodzone przez metalową karoserię samochodu. Mogą uszkodzić układy elektroniczne, opony, powodując defekty, lub nawet wywołać pożar.
2. W samochodzie nie jesteśmy całkowicie odcięci od świata zewnętrznego. Piorun może uderzyć w obszar w pobliżu samochodu, a fale elektromagnetyczne mogą wpływać na systemy elektroniczne w samochodzie.
3. Wszystko zależy od intensywności burzy. W przypadku bardzo silnych piorunów nie można być pewnym absolutnego bezpieczeństwa w samochodzie.

W związku z tym, w czasie burzy zawsze najlepiej jest unikać jazdy samochodem, a jeśli jesteś już w samochodzie, to pozostać w nim, z dala od metalowych elementów, a także wyłączyć systemy elektroniczne, takie jak radio czy nawigacja.

Źródło:
https://pl.wikipedia.org/wiki/Klatka_Faradaya