Capitolo 10 DIELETTRICI §1. Costante dielettrica §2. Vettore di polarizzazione Р §З. Cariche polarizzanti§4. Equazioni elettrostatiche per i dielettrici§5. Campi e forze in presenza di dielettrici§ 1. Costante dielettrica Esamineremo ora un'altra caratteristica

I SEGRETI DEL SUCCESSO INTELLETTUALE DI FARADAY Tra i tratti caratteristici di Faraday (ad esempio, la capacità di autoapprendimento e l'influenza della religione sul pensiero), è necessario sottolineare il suo impegno nella ricerca di alcune attitudini intellettuali che lo hanno aiutato a raggiungere

TRADURRE LE IDEE DI FARADAY IN LINGUAGGIO MATEMATICO L'elettricità non poteva essere un liquido che passa attraverso un filo, doveva essere generata da una forza invisibile, come le linee del campo magnetico, ma in questo caso le linee andavano da una carica all'altra. Questo è un campo invisibile

DIELETTRICO Nell'undicesimo numero della serie “Experimental Researches in Electricity” (1855, Experimental Researches in Electricity), Faraday propone l'induzione come primo principio della scienza dell'elettricità come proprietà di provocare uno stato opposto, e ne dà anche una nuova definizione

INTERAZIONE TRA MAGNETISMO E LUCE: L'EFFETTO FARADAY Sebbene luce e magnetismo possano sembrare non avere nulla in comune, in realtà sono correlati. Ogni volta che tocchiamo qualcosa, gli atomi delle nostre dita interagiscono con gli atomi di quella

L'EREDITÀ DI FARADAY La profonda spiritualità e la capacità di autoeducazione di Faraday lo hanno portato a una ricerca instancabile della relazione tra movimento, magnetismo ed elettricità, come tra parti della Trinità - separate ma inseparabili. Grazie a questo concetto

Nel 1836, il leggendario scienziato inglese Faraday inventò un dispositivo per schermare lo spazio dagli effetti dei campi elettromagnetici esterni. L'invenzione fu chiamata Gabbia o Scudo di Faraday. In inglese è scritto come "FARADAY SHIELD".

Principio operativo

Una gabbia di Faraday (CF) è una struttura protettiva, i cui piani di chiusura sono realizzati sotto forma di griglie di aste metalliche ad alta conduttività elettrica con messa a terra. Il principio di funzionamento dell'installazione è abbastanza semplice.

Quando il campo elettrico “tocca” la superficie del reticolo, gli elettroni delle barre metalliche iniziano a muoversi attivamente. Le superfici opposte della struttura sono caricate in modo tale che insieme resistono alla penetrazione dei campi elettrici esterni.

Per quanto riguarda il campo magnetico, a causa delle sue proprietà variabili, semplicemente non ha il tempo di penetrare nella rete metallica. Tutto ciò che si trova nella gabbia di Faraday è protetto in modo affidabile dagli effetti dei campi elettrici esterni e delle onde elettromagnetiche. I piani che racchiudono lo spazio realizzati in rete metallica sono chiamati schermi.

L'esempio più semplice in cui viene utilizzato l'effetto Faraday è un forno a microonde. L'attributo dell'attrezzatura da cucina può essere trovato in quasi tutte le case. Il pannello frontale trasparente è ricoperto da una griglia metallizzata, il resto del corpo metallico della stufa completa il design della KF. La griglia scherma le radiazioni in uscita dal telefono e non consente il passaggio delle onde elettromagnetiche esterne. Di conseguenza, il dispositivo è fuori dal raggio di comunicazione.

Aree di applicazione dell'effetto CF

Le proprietà dello spazio schermato vengono utilizzate con successo in vari ambiti dell'attività umana. Possono essere stanze separate, piccoli contenitori e persino abiti da lavoro.

Cabina RF

La cabina a radiofrequenza è un locale schermato. Sotto il rivestimento delle pareti, del soffitto e del pavimento sono presenti dei grigliati realizzati con metalli non magnetici ad alta conduttività. Le strutture possono assumere volumi e configurazioni diverse: si tratta di sale RF, uffici e box.

Sala MRI

Vengono quindi allestite sale MRI (sale dotate di apparecchiature per la risonanza magnetica). Una gabbia di Faraday deve essere messa a terra.

Lo scopo delle recinzioni delle stanze è quello di impedire l'ingresso di interferenze elettromagnetiche provenienti da fonti di radiazioni esterne. In questo modo si ottengono risultati di risonanza magnetica di alta qualità senza alcuna distorsione.

Per garantire il pieno funzionamento nella cabina RF, devono essere soddisfatte le seguenti condizioni:

• la gamma di frequenza operativa deve essere determinata correttamente;
• i materiali per gli schermi dell'involucro edilizio, comprese finestre e porte RF, devono soddisfare i requisiti tecnici;
• i gruppi di schermi e i metodi per collegarli tra loro, nonché fissarli a pareti, pavimenti e soffitti, schermare le comunicazioni per vari scopi devono essere eseguiti rigorosamente in conformità con la documentazione di progettazione;
• dovranno essere installati cavi del tipo e delle dimensioni specificate nel progetto.

Importante! La progettazione di una cabina per risonanza magnetica in ciascun caso è determinata da un approccio puramente individuale. La creazione e la sistemazione delle cabine RF vengono effettuate da imprese specializzate che dispongono dell'apposito pacchetto di permessi.

Laboratori

Negli istituti di ricerca e nelle condizioni di fabbrica sono richiesti locali isolati dall'influenza del “rumore” elettromagnetico esterno. Per organizzare tali laboratori, vengono assunte aziende specializzate per eseguire calcoli e installare recinzioni.

Tute protettive

Gli abiti metallizzati sono CF individuali. Gli abiti da lavoro sono realizzati con fili di acciaio inossidabile, argento e rame. Quando una linea elettrica lunga diversi chilometri viene temporaneamente disconnessa, nei cavi rimane una grande carica statica. Pertanto, durante l'ispezione e la riparazione delle apparecchiature di trasmissione di potenza, i lavoratori indossano tute protettive.

Gli indumenti da lavoro sicuri sono progettati per prevenire l'esposizione a:

• campo elettrico industriale;
• corrente da campi elettromagnetici alternati;
• flusso elettromagnetico attivo durante la separazione dei contatti del sezionatore;
• corrente proveniente dal contatto con oggetti messi a terra, suolo, alberi o cespugli;
• tensione di passo.

Nel mondo dello spettacolo

I divertimenti con dimostrazioni di scariche elettriche, al centro delle quali è una gabbia di Faraday, sono da tempo popolari. I flussi ramificati di fulmini attorno a una persona sembrano impressionanti senza causargli alcun danno.

Nota! Nonostante l’opinione prevalente che la paura delle persone nei confronti delle radiazioni elettromagnetiche sia inverosimile, il problema di vivere vicino a potenti linee elettriche è piuttosto rilevante. Si possono trovare edifici privati ​​completamente isolati dall'influenza delle radiazioni negative esterne. Il grado di pericolo dell'esposizione alle onde elettromagnetiche sugli esseri umani non è stato ancora completamente studiato.

È necessario effettuare la messa a terra?

È necessaria la messa a terra di una gabbia di Faraday? Ciò dipende dalle dimensioni della struttura protettiva. C'è un'opinione secondo cui le piccole cellule non hanno bisogno di essere messe a terra. Le grandi strutture devono essere messe a terra. Il fatto è che possono accumulare una carica potente, che può "sparare" a una persona che tocca accidentalmente la griglia.

Gabbia di Faraday fai da te

L'invenzione viene spesso utilizzata in ambito domestico per proteggere i dispositivi elettronici domestici (smartphone, tablet, ecc.). Per realizzare CF con le tue mani, utilizza qualsiasi contenitore di volume adeguato, che si tratti di una scatola, una padella, un secchio o un bidone della spazzatura.

Il contenitore deve essere chiuso ermeticamente con un coperchio. La superficie interna deve essere rivestita con un materiale dielettrico.

Un esempio di come preparare la CF a casa

Per riporre vari gadget e piccoli elettrodomestici, puoi utilizzare un oggetto come una normale scatola di compensato. Procedi come segue:

1. Il compensato viene pulito da polvere e sporco;
2. Tagliare un rotolo di pellicola alimentare nella lunghezza richiesta;
3. Avvolgere l'intera superficie esterna della scatola e il suo coperchio con un foglio di alluminio con il lato opaco rivolto verso l'interno;
4. I giunti di isolamento sono fissati con nastro adesivo;
5. Sul fondo della scatola sono posizionati uno o più tappetini per il mouse del computer;
6. Controllare la perfetta aderenza del coperchio alla scatola lungo tutto il perimetro, evitando spazi e lacerazioni nella superficie della pellicola.

Se si utilizza un contenitore metallico, bisogna avere cura di isolare la superficie interna della gabbia con cartone o fogli di compensato. Ciò accade quando i proprietari di casa sistemano la CF in una delle loro stanze.

Test della FC

Il modo più semplice per verificare se la gabbia funziona è inserire una radio al suo interno, sintonizzata su un forte segnale FM e accesa a tutto volume. In una gabbia adeguatamente realizzata regnerà il silenzio completo. Se, tuttavia, il ricevitore funziona anche in modo molto silenzioso, è necessario cercarne il motivo in presenza di spazi vuoti nella superficie schermata della struttura.

Allo stesso modo, puoi testare la FC utilizzando un telefono cellulare. Una volta nella gabbia, il cellulare sarà immediatamente fuori portata. Per verificarlo, basta comporre il suo numero: il telefono sarà silenzioso.

Informazioni aggiuntive. Va ricordato che la lunghezza d'onda di 1 GHz è di 30 cm, con una dimensione massima delle maglie di 3 x 3 cm la sicurezza sarà garantita. Pertanto, per risparmiare denaro, vengono utilizzate reti invece di materiale solido.

La gabbia di Faraday è un'ingegnosa invenzione del grande scienziato inglese dell'epoca, che rimane attuale fino ad oggi. Con l'avvento di nuovi materiali sul mercato, le possibilità di creare CF di vari design si stanno espandendo in modo significativo.

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Una gabbia di Faraday o "scudo di Faraday" è uno spazio chiuso per impedire il passaggio dei campi elettromagnetici. La gabbia è costituita da un materiale solido conduttivo o da una rete conduttiva e solitamente è anche collegata a terra. Prende il nome dallo scienziato inglese Michael Faraday, che lo inventò nel 1836.

Storia della scoperta

Nel 1836 Faraday notò che l'eccesso di carica su un conduttore carico è localizzato solo sul suo lato esterno e non ha alcun effetto sugli oggetti all'interno. Per dimostrare questo fatto, allestì una stanza ricoperta da una pellicola metallica e applicò una carica ad alta tensione proveniente da un generatore elettrostatico all'esterno della stanza.

Per dimostrare l'assenza di cariche elettriche sulle pareti interne della stanza, Faraday utilizzò un elettroscopio. Un elettroscopio posto all'interno della stanza, o collegato alla superficie interna, registrava l'assenza di carica, mentre le foglie dell'elettroscopio collegato alla superficie esterna divergevano.

Per dimostrare l’effetto di spinta del campo, piccoli animali sono stati posti in una gabbia. Quando gli veniva applicata una potente carica elettrica da un generatore elettrostatico, la carica non causava alcun danno agli animali, poiché scorreva lungo la sua superficie.

Sebbene questo effetto sia stato attribuito al famoso esperimento della tazza di Faraday (o "secchiello per il ghiaccio") condotto da Michael Faraday nel 1843, il fenomeno fu osservato già nel 1755 dallo scienziato americano Benjamin Franklin. L'esperimento consisteva nel far cadere, attraverso un foro, una pallina di sughero scarica sospesa su un filo di seta in un barattolo di metallo carico. Secondo lui “il tappo non era attratto dalle pareti interne del vaso quanto lo era da quelle esterne. Sebbene il tappo fosse abbassato sul fondo del barattolo, quando tirato fuori si è scoperto che era scarico a causa del contatto, osservato quando il tappo ha toccato l’esterno del barattolo”. Questo effetto fu scoperto molto prima di Faraday anche dal fisico italiano Giovanni Battista Beccaria.

Principio operativo

Il principio di funzionamento della cella è che un campo elettrico esterno provoca la ridistribuzione degli elettroni liberi nel materiale conduttivo della cella in modo tale che i lati opposti della cella si carichino. Il loro campo compensa il campo esterno e non c'è campo all'interno. Questo principio si comprende meglio se si pensa alla cella come a un conduttore cavo ideale. La ridistribuzione delle cariche provoca una corrente elettrica nel conduttore, che si interrompe quando il campo elettrico esterno viene compensato.

L'effetto schermante dei gusci metallici chiusi fu teoricamente previsto nel 1813 dal matematico e fisico francese Simeon Denis Poisson. Successivamente, nel 1828, dal matematico e fisico inglese George Green. La previsione degli scienziati si basava sul fatto che all'interno di un guscio metallico chiuso il potenziale elettrico è costante, quindi l'intensità del campo elettrico è zero, il che dimostra le sue proprietà schermanti.

Una gabbia di Faraday non è in grado di proteggere lo spazio interno da un campo magnetico costante o che cambia lentamente, ad esempio il campo del magnetismo terrestre (la bussola all'interno della gabbia continua a puntare correttamente verso il Nord). Ma poiché il campo magnetico alternato viene creato da un campo elettrico alternato e il campo elettrico alternato non penetra nella cellula, il campo magnetico alternato non vi penetra. Di conseguenza, la cellula protegge gli oggetti (e gli esseri umani) che si trovano in essa dall'azione delle onde elettromagnetiche. Per schermare le radiazioni ad alta frequenza, la dimensione delle cellule della cellula deve essere inferiore alla lunghezza d'onda della radiazione.

L'efficacia della schermatura di un campo elettrico statico dipende dalla forma del materiale conduttivo. Nel caso di un campo elettrico variabile e in presenza di un campo magnetico variabile, quanto più veloci sono i cambiamenti (cioè quanto maggiore è la frequenza), tanto meglio il materiale resiste alla penetrazione del campo. D'altra parte, con l'aumentare della frequenza il campo penetra meglio attraverso una griglia con una determinata dimensione delle celle. In questo caso la schermatura dipende dalla conduttività elettrica del materiale della gabbia, nonché dal suo spessore.

Se una carica viene posta all'interno di una cella senza messa a terra, la sua superficie interna si carica (simile al processo sopra descritto con la carica esterna). Una gabbia di Faraday blocca le onde elettromagnetiche in uscita da essa in misura minore rispetto a quelle in entrata, e quindi un dispositivo di localizzazione, o "faro", soprattutto se funzionante ad alta frequenza, può "perforare" la superficie della gabbia, lavorando dall'interno.

Ascensori e altre stanze con strutture e pareti metalliche conduttrici possono causare la perdita di segnale e la comparsa di "zone morte" per gli utenti di telefoni cellulari, walkie-talkie e altri dispositivi elettronici che ricevono segnali radio esterni.

Per schermare la radiazione proveniente dal magnetron operante all'interno del forno a microonde con una lunghezza d'onda di circa 12 cm, il corpo del forno è realizzato in metallo solido (acciaio inossidabile). Il finestrino trasparente è un pacchetto di lastre di vetro o plastica con tra loro una lamiera metallica forata obbligatoria. Il diametro dei fori nel foglio non è superiore a 1-3 mm, il che esclude completamente l'uscita delle radiazioni dal forno a microonde. L'assenza di perdite di radiazione attraverso l'intercapedine tra la porta e la camera è assicurata da uno speciale disegno dell'intercapedine con dimensioni adeguate alla lunghezza d'onda della radiazione.

Sarebbe un errore presumere che la gabbia di Faraday fornisca il blocco completo del segnale radio o la sua soppressione. Il grado di attenuazione da parte della cellula del segnale emesso o ricevuto, radiofonico o televisivo, dipende dalla forma dell'onda elettromagnetica, dalla sua frequenza e dalla distanza dal ricevitore/trasmettitore. Anche la loro sensibilità e potenza irradiata. Una gabbia con una robusta recinzione in lamiera di acciaio fornisce una migliore soppressione di una gabbia in rete.

Applicazione

Di seguito sono riportati alcuni esempi di utilizzo di gabbie e dispositivi simili per la protezione di persone e attrezzature.

• La gabbia protegge le persone e le attrezzature dalle correnti elettriche causati da fulmini e scariche elettrostatiche, poiché la gabbia bypassa le correnti esterne allo spazio protetto, senza ramificarle all'interno.
• Interni di auto e aerei Sono anche gabbie che proteggono i passeggeri dalle scariche elettriche dei fulmini.
• Nelle industrie associate alla presenza di radiazioni elettromagnetiche pericolose , interi laboratori e stanze sono rinchiusi nelle gabbie di Faraday. Ciò salvaguarda la salute delle persone e previene numerose malattie.
• Tute elettricamente conduttive appositamente progettate per gli installatori di linee elettriche ad alta tensione consentono loro di lavorare sulle linee senza il rischio di lesioni elettriche dovute a carica statica. Tali tute impediscono il passaggio della corrente elettrica attraverso il corpo umano e teoricamente proteggono da qualsiasi tensione. Elettricisti ad alta tensione che indossavano tali tute hanno lavorato con successo sull'esclusiva linea di trasmissione di energia ad alta tensione Ekibastuz-Kokshetau in Kazakistan con una tensione di 1150 kV.
• La gabbia di Faraday viene utilizzata per racchiudere i generatori di emissioni radio (trasmettitori radio) e proteggere altri dispositivi elettronici nelle vicinanze.
• Sala di risonanza magnetica è una gabbia di Faraday ed è esclusa la distorsione dei dati rilevati dal paziente dovuta a interferenze radio esterne, che potrebbero disturbare l'immagine tomografica risultante.
• Nella chimica analitica Una gabbia di Faraday viene utilizzata per ridurre le interferenze quando si effettuano misurazioni precise.
• Secondo gli standard USA e NATO e standard simili in altri paesi, la gabbia viene utilizzata per prevenire fughe di informazioni dai computer.
• Gabbia di Faraday a forma di borsa o custodia utilizzato per impedire la cancellazione e l'alterazione dei dati digitali sui media elettronici con intenzioni criminali.
• Gusci schermanti Un cavo USB o un cavo coassiale TV protegge i conduttori interni da interferenze esterne e impedisce la fuoriuscita di segnali utili ad alta frequenza.
• La borsa del taccheggiatore (un sacchetto di plastica rivestito all'interno con pellicola di alluminio) agisce come una gabbia di Faraday e viene utilizzato dai taccheggiatori per rubare merce con etichetta RFID.

Da questi esempi è chiaro che il fenomeno fu previsto più di 200 anni fa e fu ampiamente reso popolare da Michael Faraday. È ampiamente utilizzato nella scienza, nella tecnologia e persino adottato dal mondo criminale, ma ha acquisito molti miti. Uno dei miti descritti nel film sull'informatore Snowden è che un forno a microonde blocca completamente le radiazioni dei telefoni cellulari. Questo non è vero, la frequenza di trasmissione dei dati dello standard di comunicazione mobile GSM è diversa dalla frequenza del magnetron a microonde e lo spazio tra la custodia e la porta diventa trasparente al segnale cellulare. Quelli. un forno a microonde non è una gabbia di Faraday nel vero senso della parola: in una gabbia reale non dovrebbero esserci spazi vuoti. Per lo stesso motivo la telecamera del frigorifero non blocca il cellulare riposto all'interno.